作者：美国铟公司 刘为平博士， 李宁成博士

摘要

通过明显改善NiAu表面涂层的跌落测试性能而研制出一种新型的SACX合金。据观察，用于SAC105的Mn、Bi、Ti、Ce和较少使用的Y等掺杂物单独使用或组合使用时，作用显著，其中锰的作用最为明显。SAC+Mn的性能不仅优于SAC合金，而且还超过了Sn63，因此，完全改变了焊点脆性造成的各种SAC系统的不稳固地位。掺杂物不会影响到熔融特性和金属间化合物形成特性。Mn会向IMC迁移，并以MnSn2粒子的形式在IMC层附近聚集。热老化进一步提高了跌落测试性能。

关键词：无铅，SnAgCu，SAC，焊料，跌落测试，脆性，可靠性

引言

由于RoHS指令的要求，电子工业在焊接材料中将不再使用铅。在众多的无铅焊料替代品中，SnAgCu合金成为一种广泛选用的合金。这主要是由于其具有超常的物理、机械和抗疲劳特性以及良好的焊接特性和合理成本的缘故。然而，较之63Sn37Pb，就显示出较差的跌落测试性能，因此，在使用这些合金时焊点的脆性带来一定的障碍。在采用了像BGA和CSP这样的面数组封装的便携式产品中，这个问题更为突出 [1-7]。虽然，根据观察，降低SnAgCu合金中的Ag含量是很有帮助的[8]，但是，与共晶锡铅焊料比较，其性能仍是略低一筹。在此项研究工作中，研究开发出一类SnAgCu合金，这类合金是通过添加少量添加物的方法来改善性能的，其研究结果如下所述。

实验

1. 合金

在研究中大多数焊料合金都是在98.5Sn1Ag0.5Cu（SAC105）中添加少量的一种或两种成分的掺杂物，这种焊料合金通常用SACX表示。在某些情况下，Ag和 Cu的含量也会有所变化。63Sn37Pb（Sn63）、95.5Sn3.8Ag0.7Cu（SAC387）和SAC105用作对照物。

2. 测试

2.1 熔融特性

采用微分扫描测热法（DSC）对焊料合金的熔融特性进行了研究。样品尺寸大约为5-15 mg，扫描速率为10℃/min。每种合金的样品要二次扫描。样品首先从室温加热至350℃，然后，自然冷却至室温，接着再次加热至350℃进行扫描。第二次扫描的温度记录图用于显示合金的熔融特性。

2.2 跌落测试

跌落测试的步骤如下所述。样品模拟了一个BGA组装件。BGA试样尺寸为40mm×40mm， 上面以3×3数组布局的电镀Ni/Au的焊盘（2mm直径），见图1所示。PCB测试板尺寸为80mm×80mm，在板子的角上钻有四个孔（6mm直径），通过使用螺栓将试验板安装在钢块上。与PCB相对应的焊盘（2mm直径）的表面涂层也镀覆了Ni/Au。

 
图1 试样和模拟BGA组装件示意图

制造一个仿真的BGA组件的步骤是，首先，使用免清洗焊剂和240℃的峰值温度的温度曲线A，将规定采用的合金的焊料球植于PCB基板上。然后，将预先印刷有相同免清洗焊剂于焊盘的BGA试样与植有焊料凸点的PCB贴装到一起，并采用温度曲线A进行再流焊。对模拟的BGA组装件在150℃下的再流后和老化达四星期后进行跌落测试评估。将BGA组装件安装在跌落测试设备的钢构件上，见图2所示。跌落测试的高度为0.5m。在每次测试中，使用了10个模拟的BGA组装件。

 
图2 跌落测试仪的安装，PCB与同构件之间的容差为5mm

2.3 显微结构

用光学扫描显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）检查跌落试样的断裂表面和横剖面的显微结构。在某些情况下，还要对横剖面的样品进行元素成像分析。

2.4 蠕变断裂测试

在蠕变断裂测试中采用哑铃形焊接试样。为在室温下稳定地测量应变速率而开发出应力范围。为每种合金规定了至少两个不同应力的稳定应变速率。

结果

1. 熔融特性

添加少量的添加剂似乎对SAC合金的熔融特性影响不大。表1列举了在二次扫描中DSC分析规定的某些焊料合金的熔融温度。图3所示是对Sn63、SAC305、 SAC105 和 Sn1.1Ag0.64Cu0.13Mn （SAC0.13Mn）的二次扫描的DSC温度记录。

   表1 在二次扫描的DSC分析中焊料合金的熔融特性

合金	固态（℃）	液态（℃）
Sn1.1Ag0.64Cu0.13Mn	217.52	227.26
Sn1.13Ag0.6Cu0.16Mn	217.81	225.98
Sn1.07Ag0.58Cu0.037Ce	217.65	226.14
Sn1.0Ag0.46Cu0.3Bi0.1Mn	216.22	226.98
Sn1.05Ag0.73Cu0.067Ti	217.59	227.56
SAC105	217.18	226.8
SAC305	217.64	222.81
Sn63	180.75	183.72

 
图3  Sn63、SAC305、SAC105和Sn1.1Ag0.64Cu0.13Mn二次扫描的DSC温度记录