Sn-Ag-Cu无铅焊料的可靠性研究
无铅焊料的性能及作用
电子组装对无铅焊料的性能要求
• 1、无铅焊料的熔点要低：从前面的内容 知道，除Sn-Bi系及Sn-In合金外，所有的 无铅焊料的熔点温度都高于Sn63Pb37合 金的熔点温度，这将对工艺、设备、材 料等方面带来很大的不良影响，因此开 发出的无铅焊料，应当有较低的熔点温 度。
2、无铅焊料要有良好的润湿性；无铅焊料表面张力比 有铅焊料高，其扩散率比锡铅焊料低，不利于焊点的形 成，得到的焊点形状不圆润饱满，弯月面小，严重的还 会造成虚焊。润湿性差，这对锡膏印刷工艺的要求更高， 增加了工艺的难度。无铅焊料获得的焊点外观粗糙，表 面粗糙很难清洗干净，就会影响电性能。如果使用传统 的AOI进行检查，由于漫反射光无法正常识别。因此要 求无铅焊料要有良好的润湿性。一般情况下，再流焊时 焊料在液相线以上停留的时间为30-90秒，波峰焊时被焊 接组件管脚及线路板基板面与锡液波峰接触的时间为4 秒左右，使用无铅焊料以后，要保证在以上时间范围内 焊料能表现出良好的润湿性能，才能保证优质的焊接效 果。
Sn-Ag-Cu三元合金
• 在Sn-Ag合金里添加Cu，能够在维持SnAg合金良好性能的同时稍微降低熔点， 而且添加Cu以后，能够减少所焊材料中 铜的溶蚀，因此逐渐成为国际上标准的 无铅焊料。图5-12为Sn-Ag-Cu三元合金 状态图。锡银铜系焊料有着良好的物理 特性。
Sn-Bi系及Sn-In合金
•同时液固共存领域大，焊料易发生半月 面提升现象。另外Bi在焊接过程中会出现 枝装晶偏析。研究结果表明：在Sn-20Bi 为基体的合金,添加0.7%的Ag、0.1%的In 可以使Bi的偏析稍有改善,使Bi细小分散。 In虽然价格高，但是其自身的熔点为 156℃，可以用作低熔点焊料。该合金塑 性也非常好。含In合金的另一个特征是具 有抑制Ag或Au溶蚀的优点。在需要更低 熔点的情况下使用。
Sn—Ag—Cu无铅钎料互连焊点的电迁移研究进展
，
Ｉ １ ． Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ Ａ ｐ ｐ ａ ｒ ａ ｔ ｕ ｓ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ Ｃ ｏ ． ， Ｌ ｔ ｄ ． ， Ｇ ｕ ａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ ６ １ ０ ３ ０ ０ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ． Ｈ ａ ｒ ｂ ｉ ｎ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｓ ｈ ｅ ｎ ｚ ｈ ｅ ｎ Ｇ ｒ ａ ｄ ｕ ａ ｔ ｅ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ １ ． Ｓ ｈ ｅ ｎ ｚ ｈ ｅ ｎ ５ １ ８ １ ２ ９ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ中国 电器科学研究院有 限公 司，广 东 广州 ５ １ ０ ３ ０ ０ ； ２ ． 哈尔滨 工业 大学深圳研究生院 ，广东 深圳 ，５ １ ８ １ ２ ９）
摘
要 ：电迁移 问题作 为影 响焊点可靠性 的关键 问题之一 ，容易导致焊点 出现裂纹 、丘 凸和空洞等焊接缺
陷 。其失效机制有 电流拥 挤效应 、焦耳热效应 、极化效应和金属间化合物失效等 。聚焦ｓ ｎ — Ａ ｇ — ｃ ｕ 系无铅钎料焊
点的 电迁移 问题 ，介绍 了这一领域 电迁移的失效机制 、影响因素和防止措施 的研究现状 ，并展 望了今后的研究发
展趋势 。
关键 词 ：Ｓ ｎ — Ａ ｇ — Ｃ ｕ 无铅钎料 ；电迁移 ；电流拥挤效应 ；焦耳热效应 ；极化效应
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａ ｓ ｏ ｎ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｋ ｅ ｙ ｉ ｓ ｓ ｕ ｅ ｓ ａ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｓ ｏ ｌ ｄ ｅ ｒ ｊ ｏ ｉ ｎ ｔ ｒ ｅ ｌ ｉ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ， ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ － ｍ ｉ ｇ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ ｓ ｃ ａ ｎ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｔ ｈ ｅ ｆ ａ ｌ ｌ ｕ ｒ ｅ ｉ ｎ
浅谈低Ag系Sn-Ag-Cu焊料的发展
１ ． 低 Ａ Ｏ系 Ｓ Ａ Ｃ合金 与高 Ａ ｇ系 Ｓ Ａ Ｃ合金 性能对比
王强翔 等人通过 以 Ｓ Ａ Ｃ １ ０ ５（ Ｓ ｎ 一 １ ． ０ Ａ ｇ 一 ０ ． ５ Ｃ ｕ） 、Ｓ Ａ Ｃ （ ） 一
长期 以来 ，锡 铅合 金 由于 其优 异的性 能在 电子产 品的 Ｐ Ｃ Ｂ加工 、封 装 中应用 十分广 泛 ？但随 着社会发 展 ，人 们 逐 渐意识 到铅及 其 化合物对环 境 的污染性及 对 人体 的危 害
Ｊ 州有色金属 研究院 的张字鹏 等人研究 了 Ｂ ｉ 、Ｎ ｉ 掺 杂 的低 Ａ ｇ Ｓ Ａ Ｃ尤 铅焊 料 的性 能。结果 表 明 ，Ｂ ｉ 元素 兀 丁 以完
电子封 装舍金。ｓ ｎ — Ａ ｇ — ｃ ｕ合金被 认为是最有发展前景 的无铅 焊料 但 Ａ ｇ 属 于贵金属 ，成本较 高，故发展低 Ａ ｇ
系 无铅 钎料 成 为 了研 究 热 点 。 本 文 介 绍 了低 Ａ ｇ系 Ｓ ｎ － Ａ ｇ — Ｃｕ焊 料 的 发 展 现 状 ，通 过 掺 杂微 量元 素 来 改善 舍金 的
缺陷 ： （ １ ）Ａ ｇ的价 格 较 高 ，高 Ａ ｇ系 Ｓ Ａ Ｃ合 金 的 成ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ本 要 比 普通 ｓ ｎ — Ｐ ｂ 焊 料高２ ～ ３ 倍。
均匀 ，并 改变 界面金 属间化合 物的 晶体结构 ，抑 制界面脆
性相生长 ，提高强度和韧性 。
３ ． 添 加 Ｍｎ对 低 Ａ ｇ系 Ｓ Ａ Ｃ 合 金 的 的 影 响
中 国 新技 术新 产 品 ２ ｏ １ ７ Ｎ Ｏ ０ ９ （ 上）
工 业 技 术
无铅焊锡熔点
无铅焊锡是一种用于电子元器件连接的焊料，相较于传统的含铅焊料，它更环保，因为含铅焊料对环境和人体健康有一定的潜在风险。
无铅焊锡的熔点通常较高，具体取决于所使用的合金成分。
常见的无铅焊锡合金是以锡（Sn）为基础，添加其他金属（如银、铜、锑等）形成的合金。
根据不同的合金配方，无铅焊锡的熔点可以在不同范围内变化。
以下是一些常见的无铅焊锡合金及其熔点范围：
1. SAC（Sn-Ag-Cu）合金系列：这是一种常见的无铅焊锡合金，具有良好的焊接性能和可靠性。
根据具体配方的不同，熔点范围通常在217°C至221°C之间。
2. SN100C合金：这是一种无铅焊锡合金，由Sn、Cu、Ni、Ge等金属组成。
其熔点较低，一般在227°C左右。
需要注意的是，以上提到的熔点范围仅供参考，具体的无铅焊锡合金的熔点还取决于其具体配方和厂家的制定标准。
对于特定的无铅焊锡产品，建议参考供应商提供的技术资料和产品规格说明，以获得准确的熔点信息。
Sn_Ag_Cu无铅钎料性能的研究
现代焊接ＭｏｄｅｒｎＷｅｌｄｉｎｇＪ－２００７年第６期总第５４期１４现代焊接近几年来，有关无铅钎料的研究工作发展很快。
Ｓｎ－Ａｇ合金以其优良的润湿性能和力学性能，受到了国内外的广泛关注。
可是，至今所用的Ｓｎ－Ａｇ合金的熔点偏高，润湿性也不是很理想。
合金的熔点、铺展性和力学性能是无铅钎料性能好坏的重要技术参数。
如何改善这些参数是促进Ｓｎ－Ａｇ系无铅钎料实用化的关键。
本文就最有可能替代Ｓｎ－Ｐｂ钎料的Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ钎料进行了研究，探讨了Ａｇ、Ｃｕ的含量对钎料性能参数的影响。
钎料的原材料纯度为９９％以上，合金成分（质量分数）见表１，熔炼１试验方法１．１钎料的制备及熔炼作者简介：郭康富（１９８３－），男，硕士研究生，主要从事无铅钎料的开发及微连接研究工作。
［摘要］［关键词］本文研究了银、铜含量对Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ合金性能（包括熔点、润湿性和剪切强度）的影响，并对钎料的显微组织进行了对比与分析，最后得到Ｓｎ－２．９Ａｇ－１．３Ｃｕ的合金性能具有较低的熔点和铺展性好的结论。
无铅钎料；熔点；润湿性；显微组织Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ无铅钎料性能的研究北京航空航天大学机械工程及自动化学院郭康富康惠曲平Investigation of capability of Sn-Ag-Cu lead-free solder用的容器是石墨坩埚。
用电阻炉在大气下熔炼，每炉２０克。
为了防止氧化，在熔炼过程中，采用ＺｎＣｌ溶盐进行保护。
合金的熔炼温度为４００℃，熔炼时间为４０分钟，在此期间，为了使钎料合金均匀化，每２隔１０分钟用碳棒搅拌一次，最后保温１０分钟，出炉，倒进不锈钢模内。
采用ＳＴＡ４４９Ｃ差式扫描热量仪来测量合金的熔化特性，钎料质量约为１０ｍｇ，样品室通入高纯度Ｎ作为保护气体，加热速度为１０℃／ｍｉｎ。
本试验主要采用铺展面积测量法测量了不同成分的Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系钎料合金在铜表面的润湿性。
钎料合金的铺展性试验在电热板上进行，实验材料为２０ｍｍ×２０ｍｍ×２ｍｍ的紫铜片，如图１所示。
Sn_Ag_Cu系无铅焊料的显微组织与性能
理化检验-物理分册P TCA (PA R T:A P H YS.TEST.)2007年 第43卷 6试验与研究Sn2Ag2Cu系无铅焊料的显微组织与性能刘艳斌,吴本生,杨晓华(福州大学测试中心,福州350002)摘 要:用无铅焊料取代现有的含铅焊料已经成为历史发展的必然趋势。
Sn2Ag2Cu系合金具有优异的可靠性和可焊性,受到了电子工业界的广泛关注。
阐述了近年来该系焊料合金的微观组织和性能的一些研究成果,并对该系无铅焊料的特性进行了比较。
结果表明,低银焊料的组织和性能比高银焊料好,而且成本低,为确定综合性能最佳的该系焊料合金提供依据。
关键词:无铅焊料;微观组织;性能中图分类号:T G146.1+4 文献标识码:A 文章编号:100124012(2007)0620279203M ICROSTRU C TU R ES AND PRO PER TIES O F Pb2FR EE SOLD ERSn2Ag2Cu S YSTEM ALL O YL IU Yan2bing,WU B en2sheng,YANG Xiao2hu a(Instrumentation Analysis and measurement center,Fuzhou University,Fuzhou350002,China) Abstract:Lead2containing solders have been used in attaching components and printed circuit boards(PCBs) in electronics industry due to their unique characteristics of excellent economical efficiency,practicability and reliability that are well suited for electronics applications.However,over lead ending up in landfill would contaminate land and water supplies,and over lead would resist recycling operations,it is inevitable that lead2 containing solders must be replaced by lead f ree solder.The electronics industry begins to focus upon the tin2silver2 copper system alloys as they have the advantages of good reliability and good solderability.A review of the research development of microstructures and properties of tin2silver2copper system alloys in recent years is made.It shows no advantages in terms of processing,reliability,or availability for the high2silver alloys as compared to the low2silver alloys.The result could provide the basis for selecting the optimal solder alloy in this system.K eyw ords:Pb2free solder;Microstructure;Property 在众多的无铅焊料中,选择哪个系的合金和在确定了合金系后选择哪个成分配比的合金作为铅焊料的替代品,仍然需要很多试验和应用的数据来证明。
电子封装用Sn-Ag-Cu系低银含硼无铅钎料的研究
电子封装用Sn-Ag-Cu系低银含硼无铅钎料的探究关键词：无铅钎料；Sn-Ag-Cu系合金；低银含硼；电子封装；焊接性能1. 简介随着环保要求的不息升级，无铅钎料在电子封装中的应用愈发广泛。
同时，电子产品的应用需求不息变化，对其性能和使用寿命的要求也随之提升。
在这种背景下，寻求一种具有良好物理性能、焊接性能、电性能和稳定性质的无铅钎料变得愈加重要。
本文介绍了一种基于Sn-Ag-Cu系合金，并加入低银含硼成分的无铅钎料，对其物理性能、化学成分和焊接性能进行了详尽的探究和分析。
2. 试验过程（1）钎料的配制探究钎料所用原材料为Sn、Ag、Cu和B，经过真空电炉进行匀称混合，最后接受金属渣重熔法制得钎料。
（2）物理性能测试接受XRD测试钎料的晶体结构，接受SEM测试其微观形貌。
使用热重分析法（TGA）测试钎料的热重变化曲线。
使用电子探针测试其化学成份。
（3）焊接性能测试在印刷电路板的表面和焊盘上进行钎料的手动焊接和波峰焊接，测试焊接强度、焊缝形貌和焊点电性能。
3. 结果与分析（1）钎料的物理性能XRD测试结果表明，该钎料为单一相结构，其晶格常数与Sn-Ag-Cu系合金相同。
SEM测试显示，钎料表面光亮平整，很少存在气孔、裂纹等缺陷。
TGA分析结果显示钎料的起始分解温度为205℃，完全失重温度为490℃。
电子探针测试显示其化学成份为：Sn（82.04%）、Ag（10.05%）、Cu（4.93%）、B （2.98%）。
（2）焊接性能手动焊接和波峰焊接均能成功将钎料焊接在印刷电路板表面和焊盘上。
焊接强度测试显示，焊点的剪切力大于70N，在正常使用条件下具有良好的机械强度。
焊缝形貌显示，焊点表面光洁平整，没有裂纹和气孔等缺陷。
电性能测试显示，钎料的电阻率为16.6μΩ/cm，并具备电流承载能力。
4. 综合分析综合试验结果分析，该Sn-Ag-Cu系低银含硼无铅钎料具有优良的焊接性能、机械强度和电性能，适用于各种电子封装材料的封装。
无 铅 焊 料 研 究报告
元素C对钎料性能的影响
微量元素C就是混合稀土元素。稀土元素可以改善钎料延伸率、提 高焊点的疲劳寿命，目前国内许多文献也报道了关于在无铅钎料中加 入稀土元素研究成果，多认为稀土元素可以加至0.1％（Wt）。但实 际上，稀土元素在接近0.1％时，会恶化熔融钎料的表面状态，形成海 绵状漂浮物，直接影响在波峰焊中的使用效果，同时焊点表面发黑。 根据我们的实验，其成分应在0.002％以下为宜；
3.5 试验分析
本项目产品与其它无铅钎料和Sn-Pb钎料性能对比
产品名称 对比指标
CWB-07A 226.5 270 80.5 2S 0.119
CWB-07B 221 255~265 80.8 2S 0.109
Sn-3Ag0.5Cu
218 250～260 78 1.8 S
Sn-0.7Cu 227 270 74 2.3 S 0.13
3.5 试验分析
元素A对钎料性能的影响
微量元素A的主要作用在于改变熔融钎料中金属化合物的形状，避 免焊接时出现焊点桥连等缺陷； 元素B对钎料性能的影响 元素B对钎料的性能由多方面的影响，在一定浓度范围内，它可以 提高机械强度、改善钎料熔融状态下的抗氧化性，并可提高产品表面 质量。然而，其成分一旦超过某一限度，就会使钎料表面张力急剧增 加、钎料润湿性剧烈恶化。必须严格控制在10ppm以下；
含稀土La的Sn-Ag-Cu无铅钎料组织与性能研究的开题报告
含稀土La的Sn-Ag-Cu无铅钎料组织与性能研究的开题报告一、选题背景及研究意义随着现代电子工业技术的不断发展和广泛应用，无铅钎料作为电子器件生产制造过程中必需的焊接材料，得到了广泛应用和研究。
由于含铅钎料会对环境产生污染和生态破坏，引起了国际社会的高度关注。
为了减少铅的使用，开发出一种环保的无铅钎料是当前热点研究方向之一。
Sn-Ag-Cu合金已被认为是一种非常有潜力的无铅钎料，它具有优异的焊接性能和高温稳定性，广泛应用于焊接电子元器件。
然而，一些研究表明，使用Sn-Ag-Cu合金钎料焊接电子器件时，容易出现因Cu含量过高产生的气孔和金属间化合物的生成，从而影响焊接质量和性能。
稀土La元素作为一种常用的改性元素，添加到Sn-Ag-Cu合金中可以改善其焊接性能和抑制金属间化合物的生成。
因此，本研究旨在探讨含La的Sn-Ag-Cu无铅钎料的组织和性能，并对其焊接性能和抗金属间化合物的生成能力进行分析，为开发更加环保、高效的无铅钎料提供新的思路和方法。
二、研究内容和技术路线（一）研究内容：1、制备含La的Sn-Ag-Cu合金钎料并分析其组织结构、物理和化学性质；2、通过扫描电子显微镜和X射线衍射仪等测试方法，探讨含La的Sn-Ag-Cu合金钎料的晶粒大小、相组成和形貌特征；3、通过热重分析和差示扫描量热仪等热分析手段，研究含La的Sn-Ag-Cu合金钎料的热力学性质和物理性质；4、比较含La的Sn-Ag-Cu合金钎料和传统Sn-Ag-Cu合金钎料在焊接性能和抗金属间化合物的生成能力方面的差异，并进行典型电子元器件焊接试验。
（二）技术路线：1、制备含La的Sn-Ag-Cu合金钎料通过定量称取Sn、Ag、Cu和La的不同比例质量，通过中频熔炼、真空热处理和铸坯制备等方法制备含La的Sn-Ag-Cu合金钎料。
2、分析含La的Sn-Ag-Cu合金钎料的组织和性能通过锐解电子显微镜分析含La的Sn-Ag-Cu合金钎料的微观组织结构和形貌特征，通过X射线衍射仪分析其相组成和晶粒大小。
焊锡可靠性
焊锡可靠性前言：传统的铅使用在焊料中带来很多的好处，良好的可靠性就是其中重要的一项。
例如在常用来评估焊点可靠性的抗拉强度，抗横切强度，以及疲劳寿命等特性，铅的使用都有很好的表现。
在我们准备抛弃铅后，新的选择是否能够具备相同的可靠性，自然也是业界关心的主要课题。
一般来说，目前大多数的报告和宣传，都认为无铅的多数替代品，都有和含铅焊点具备同等或更好的可靠性。
不过我们也同样可以看到一些研究报告中，得到的是相反的结果。
尤其是在不同 PCB 焊盘镀层方面的研究更是如此。
对与那些亲自做试验的用户，我想他们自然相信自己看到的结果。
但对与那些无能力资源投入试验的大多数用户，又该如何做出选择呢？我们是选择相信供应商，相信研究所，还是相信一些形象领先的企业？我们这回就来看看无铅技术在质量方面的状况。
什么是良好的可靠性？当我们谈论可靠性时，必须要有以下的元素才算完整。
1 ．使用环境条件（温度、湿度、室内、室外等）；2 ．使用方式（例如长时间通电，或频繁开关通电，每天通电次数等等特性）；3 ．寿命期限（例如寿命期 5 年）；4 ．寿命期限内的故障率（例如5 年的累积故障率为 5% ）。
而决定产品寿命的，也有好几方面的因素。
包括：1 ． DFR （可靠性设计，和 DFM 息息相关）；2 ．加工和返修能力；3 ．原料和产品的库存、包装等处理；4 ．正确的使用（环境和方式）。
了解以上各项，有助于我们更清楚的研究和分析焊点的可靠性。
也有助于我们判断其他人的研究结果是否适合于我们采用。
由于以上提到的许多项，例如寿命期限、 DFR 、加工和返修能力等等，他人和我的企业情况都不同，所以他人所谓的‘ 可靠 ' 或‘ 不可靠 ' 未必适用于我。
而他人所做的可靠性试验，其考虑条件和相应的试验过程，也未必完全符合我。
这是在参考其他研究报告时用户所必须注意的。
举个例子说，很多试验都报告说无铅技术容易出现‘ 气孔 ' 故障。
影响Sn-Ag-Cu焊料可靠性的因素
影响Sn-Ag-Cu焊料可靠性的因素无铅焊接的焊点可靠性问题受到特别重视。
采取高低温温度冲击试验和高温试验，可评估Sn-Ag-Cu焊点强度。
通过分析Sn-3.5Ag-0.75Cu和Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi焊料的性能，可以研究引起焊点强度下降的因素。
主要分析方法包括：使用SEM观察焊点结构变化；使用EPMA完成焊点界面合金层的元素分析。
本研究通过对焊点结构变化包括在Ag3Sn网格结构变化的分析，揭示出结构退化、焊点强度下降与可靠性测试结构和合金界面层内反常成长之间的关系。
试验方法可靠性测试所使用的焊料和为可靠性测试条件见表1和表2。
被选来用作分析的对比样品是Sn-3.5Ag-0.75Cu焊料，该焊料各个方面都具有比较好的性能，另一种对比样品是Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi焊料，其熔点较低。
元件引脚采取了2种类型电镀：电镀Sn-Pb(Sn-10Pb)和电镀Pd(钯)。
评估PCB板上设计了带有100个引脚QFP封装的菊花链。
试验仪器使用ESPEC() 的高低温温度冲击试验箱TSA-101S-W和高温试验箱PHH-201。
作为评估焊点强度的标准，采用了标准的共晶焊料：Sn-Pb焊料。
测试焊点强度的方法：以45°角，将恒定拉力（速度：20mm/min）加到PCB板焊点上，测量PCB板焊点断裂时的最大拉力，即为焊点强度。
试验结果和需考虑的问题焊点强度图1表明了焊点强度测试结果。
结果表明：无论高低温温度冲击试验还是高温试验，Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi对镀Sn-Pb元件引脚的焊点来讲，经过一定时间后，焊点强度明显下降；而针对镀Pd元件引脚焊点强度，焊点强度差别不大，基本不受焊料种类影响。
图2表明了经过焊点强度测试后的拉断状态。
结果表明：经过高低温温度冲击试验和高温试验，大部分被拉断的样品主要发生在元件引脚（Lead）和焊料界面处。
但是，Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi焊料，在用于镀Sn-Pb工艺元件引脚时，断裂偶尔会发生在焊盘（Land）和焊料之间。
Sn-Ag-Cu无铅钎料的性能研究
Sn-Ag-Cu无铅钎料的性能研究林奎;苏琦;韩永典【摘要】用粉末冶金的方法合成了Sn-Ag-Cu钎料,并测试了钎料的显微组织、力学性能(纳米压痕试验)和焊点处的界面反应.试验结果表明:钎料中的金属间化合物在基体中均匀分布；Sn-Ag-Cu钎料表现出了明显的金属材料纳米压痕特性,即明显的永久变形和不明显的弹性回复.焊点处的金属间化合物层(IMC层)随时效时间的增加持续增加.【期刊名称】《实验室科学》【年(卷),期】2012(015)002【总页数】5页(P85-89)【关键词】SnAgCu合金;显微组织;纳米压痕;界面反应【作者】林奎;苏琦;韩永典【作者单位】天津大学分析测试中心,天津300072;中国石油天然气股份有限公司管道锦州输油气分公司,辽宁锦州,121001;天津大学材料科学与工程学院,天津300072【正文语种】中文【中图分类】TG454早在2000多年以前，锡铅 (Sn－Pb)钎料就被用于金属连接中［1］。
目前钎料在电子器件和电路的封装与互联中起着不可或缺的作用。
含铅钎料特别是共晶及近共晶的Sn－Pb合金已经被广泛地应用于现代电子电路的装配中［2］。
在这些装配件中，钎料的电性能、机械性能及热性能显得尤其重要。
Sn－Pb二元体系共晶熔点温度为183°C，这使得大部分基板材料和器件都能承受这样的回流温度。
Sn－Pb钎料及合金有诸多优点，例如相对较低的熔点温度，较高的韧性及在铜(Cu)和其它合金上优良的润湿性。
但是，近些年以来，由于Pb的毒性，越来越多的国家和地区开始着手通过立法来禁止Pb的使用。
基于上述世界范围内的立法要求，为电子产品开发相应的无铅钎料已势在必行。
对于绝大多数的无铅钎料来说，主要的构成元素是锡 (Sn)，而潜在的铅(Pb)的替代元素主要有:银(Ag)、锑 (Sb)、锌 (Zn)、铜 (Cu)、铋 (Bi)、铟 (In) 和金 (Au)。
到目前为止，大量的二元系列 (Sn－Ag，Sn－Cu，Sn－Sb，Sn－In 等) 和三元系列(Sn－Ag－Cu，Sn－Bi－In，Sn－Bi－Cu，Sn－Bi－Ag) 的无铅合金相继被开发出来，其中Sn－Ag－Cu系列的合金被认为最有希望替代 Sn－Pb 合金［3－8］。
3-无铅焊接可靠性讨论及过渡阶段有铅、无铅混用应注意的问题
(b) 要求低热膨胀系数CTE
当焊接温度增加时，多层结构PCB的Z轴与XY方向的层压 材料、玻璃纤维、以及Cu之间的CTE不匹配，将在Cu上产生 很大的应力，严重时会造成金属化孔镀层断裂而失效。这是 一个相当复杂的问题，因为它取决于很多变量，如PCB层数、 厚度、层压材料、焊接曲线、以及Cu的分布、过孔的几何形 状（如纵横比）等。
• 关于无铅焊点的可靠性（包括测试方法）还在最初的研究阶段。
一些研究显示：
• 在撞击、跌落测试中，用无铅焊料装配的结果比较差。
非常长期的可靠性也较不确定。
⑽ 电气可靠性（助焊剂性能与枝状结晶生长问题）
• 回流焊、波峰焊、返修形成的助焊剂残留物，在潮湿环 境和一定电压下，导电体之间可能会发生电化学反应， 引起表面绝缘电阻（SIR）的下降。如果有电迁移和枝状
⑶ 锡须
• Sn在压缩状态会生长晶须（Whisker），严重时会 造成短路（要特别关注窄间距QFP封装元件 ）。
• 晶须是直径为1~10μm，长度为数μm~数十μm的针
状形单晶体，易发生在Sn、Zn、Cd、Ag等低熔点
金属表面。
产生Sn须的主要机理
Sn镀层表面形成一层薄薄的SnOX氧化层，加电时在 不均匀处产生压力，把Sn挤出来形成Sn须。
(一) 无铅焊接“三要素”
• 无铅焊料合金 • PCB焊盘 • 元件焊端表面镀层
1. 目前应用最多的无铅焊料合金
• 目前应用最多的用于再流焊的无铅焊料是三元共晶或近共晶形式的 Sn-Ag-Cu焊料。Sn(3~4)wt%Ag(0.5~0.7)wt%Cu是可接受的范围， 其熔点为217℃左右。 • 美国采用Sn3.9Agwt%0.6wt%Cu无铅合金
(d) 高耐热性：二次回流PCB不变形。
SnAg基无铅焊料的研究与发展
＊收稿同期：２００１ ０２—１５
万方数据
６·
２００１年第３期
铅制品的生产使用也会有越来越严格的限 制，许多大城市已经明令禁止使用含铅汽 油就是一个很好的例子。以先进的材料取 代原有的ｓｎ—Ｐｂ焊料势在必行。
国外近年来对二元无铅焊料进行了较 深入广泛的研究，采用的方法都是用另外 一种组元取代ｓｎ。Ｐｂ共晶合金巾的Ｐｂ，研 究的体系有ｉ ７－…Ｊ：Ｓｎ—Ｂｉ系、ｓｎ—Ａｇ系、Ｓｎ— ｈ系、Ｓｔｔ－Ｚｔｘ系、Ｓａ－Ｓｂ系等。共晶Ｓｎ－Ａｇ 焊料对电子Ｔ业是很有吸引力的，研究表 明在焊料中，该共晶焊料的剪切强度、蠕变
２焊料一基体的相互作用
除了润湿现象外，焊料、基体之间的相 互作用还包括形成金属间化合物层，基体 金属溶人焊缝。这些相互作用会影响最终 焊接接头的ｎＪ靠性。 ２．１金属间化合物的形成
住钎料／基体界面七，Ｓｎ和共晶ｓｎ— Ａｇ、Ｓｎ—Ｂｉ都形成相同的金属州化台物。 焊接基体为ｃｕ时，近基体侧为ｃｕ；ｓｎ相， 近焊料侧为Ｃｕ６Ｓｎ５：１６，１８’２３ｌ，舨儿乎不能 进入金属』日ｊ化合物层，焊料为Ｓｎ一３．ＳＡｇ 时，ｃｕ—ｓｎ金属问化合物中的银含量小于 １％。当基体为Ｎｉ时，主要形成 ＮｉｌＳｎ４［”·“ｊ，也有ＮｉｌＳｎｚ和亚稳相 ＮｉＳｎ３。Ｎｉ基体上形成金属问化合物的速 度低于Ｃｕ基体。通过热力学汁算可预测 Ｃｕ和各种焊料合金的界面反应产物Ｌ２“。
●共晶组织．Ａ９３Ｓｎ金属间化合物分布 在基本上是纯ｓｎ的基体上，Ａ９３Ｓｎ颗粒与 基体ｓｎ之问存在特定的晶体学取向关系：
｛０１２｝№，ｓＪ／Ｉ １１１｝ｓｎ；（１００）旭岛／／
（１１０｝ｓｎ㈨。
●由于基体Ｃｕ溶人，焊缝中形成 Ｃｕ６Ｓｎ５枝晶。
●焊料／基体界面上形成Ｃｕ Ｓｎ金属 间化台物层，近铜侧为（：ｕ，ｓｎ，近焊料侧为
无铅焊料的热导率
无铅焊料的热导率
无铅焊料的热导率因具体的焊料成分而异。
热导率（Thermal conductivity）是指材
料在单位面积上能传递的热量，通常用来评价材料的导热性能。
以下是几种常见无铅焊料的热导率：
1. Sn-Ag系无铅焊料：Sn-Ag系无铅焊料具有较高的热导率，约为120-160 W/（m·K）。
这种焊料具有良好的焊接性能和抗氧化性能，适用于要求较高热导率的场合。
2. Sn-Cu系无铅焊料：Sn-Cu系无铅焊料的热导率略低于Sn-Ag系，约为100-
140 W/（m·K）。
这种焊料具有较好的焊接性能和可靠性，适用于一般的电子产品制造。
3. Sn-Bi系无铅焊料：Sn-Bi系无铅焊料的热导率较低，约为80-100 W/（m·K）。
然而，这种焊料具有较高的熔点和良好的抗氧化性能，适用于一些对热导率要求不高的场合。
4. Sn-Zn系无铅焊料：Sn-Zn系无铅焊料的热导率约为70-90 W/（m·K）。
这种
焊料具有较低的熔点和较好的焊接性能，适用于一些对热导率要求不高的场合。
需要注意的是，以上热导率数据仅供参考，实际应用中可能因生产工艺、成分差异等因素而略有不同。
在选择无铅焊料时，需根据实际需求综合考虑焊料的性能、成本、环保性等因素。
Au80Sn20无铅钎料的可靠性研究.
Au80Sn20无铅钎料的可靠性研究范琳霞，荆洪阳，徐连勇(天津大学材料科学与工程学院，天津 300072)*摘要：随着电子产品小型化，无铅化的发展，对焊料提出了更高的要求。
无铅钎料Au80Sn20由于具有优良的力学性能在高可靠性气密封装和芯片焊接中被广泛应用。
本文综述了近几年来Au80Sn20的发展状况，重点介绍了该焊料的可靠性研究。
关键词：无铅钎料；Au80Sn20；可靠性；力学性能Reliability Study Of Au80Sn20 Lead-free SolderFan Lin-xia, Jing Hong-yang, Xu Lian-yong(School of Materials Science and Engineering,Tianjin University ,Tianjin 300072,China) Abstract: with the miniaturized and lead-free development of electronicproducts ,higher demand is put forward about solder . Lead-free solder Au80Sn20 is widely applied in high reliable hermetic package and die welding due to excellent mechanical property.The text summarizes the development status of Au80Sn20 in recent several years,and emphasizes to introduce the reliability study of the solder. Keywords: Lead-free Solder; Au80Sn20; reliability; mechanical property1 前言共晶SnPb焊料作为主流的互连材料长期以来一直广泛用于电子工业中。
sn-ag-cu无铅焊膏的制备和性能研究
2.08万亩。积极培育农业产业化主体,全区农民专业合作社已达36家,家庭农场1个。以"道路硬化、村屯绿化、
饮水净化"为重点的生态乡村建设扎实推进。筹集1247万元完成50.56公里农村道路硬化,占任务91.51%;计划用2年时间,改造全区乡村公路
功获选广西特色旅游名县备选县,正抓紧筹备广西创特现场会。在东盟国际旅游展会上成功组织XX主题展,并组织商家及国内外媒体数十家深入XX宣传推介XX。旅游项目加速推进,玉圭园环球名胜项
目累计完成投资
60多亿元,实现水陆公园正式开园,旅游人数逐步增加;愚自乐园二期艺术运动公园完成清表100亩,洞窟温泉
99.7%,完成清表任务的95.9%;完成
征收房屋306户面
积8.24万平方米,占征收总户数的81.17%、总面积的79.89%;文家安置
点1#楼已投入使用, XX镇政府和良丰街道办已入驻办公;
2#楼、4#楼准备竣
工验收;5#楼正在安装二层模板;
7#、8#楼准备封顶, 9#楼正在安装楼顶模板;XX镇南、北片区安置点前期工作有序推进。XX镇棚户区改造项目已完成签订房屋征收拆迁协议41户
1亿元,棚户区改
造项目已到位1亿
多元,同时,千方百计筹措资金3亿多元用于项目建设,保障和推进了重点项目工程。想方设法及时协调处理高校建设征地和园博园项目被征地村集体发展预留用地和安置问题。
(二)深入开
展城镇化建设攻坚年活动,加快推进科教旅游新城规划建设。
委托上海市政规划设计院编制了《科教旅游新城概念性规划》,并组织召开了规划研讨会。扎实推进科教组团基础及配套项
零售总额2.45亿元,同比增长9 %;城
Sn-Ag-Cu无铅焊料专利技术综述
Sn-Ag-Cu无铅焊料专利技术综述
张素敏
【期刊名称】《技术与市场》
【年(卷),期】2017(24)7
【摘要】针对CNABS和DWPI数据库对Sn-Ag-Cu无铅焊料进行检索、分析,对国内外Sn-Ag-Cu无铅焊料的专利信息进行检索并进行分析.
【总页数】1页(P304)
【作者】张素敏
【作者单位】国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心,湖北武汉430070【正文语种】中文
【相关文献】
1.合金元素 Ag 含量对 Sn-Ag-Cu无铅焊料焊接性能的影响 [J], 高瑞军;张宇航;康宇;韩振峰;孙福林;钟茂山
2.Sn-Ag-Cu无铅焊料性能研究 [J], 徐建丽
3.浅谈Sn-Ag-Cu无铅焊料的可靠性 [J], 侯瑞田
4.浅谈Sn-Ag-Cu无铅焊料的可靠性 [J], 侯瑞田
5.Sn-Ag-Cu系无铅焊料性能研究进展 [J], 张莎莎;张亦杰;马乃恒;王浩伟
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Sn-Ag-Cu无铅焊料的可靠性研究
【来源:《电子与封装》】【编辑:韩永典1，荆洪阳1，徐连勇1，郭伟杰1，王忠星
2 】【时间: 2007-5-15 8:57:52】【点击: 993】
1 引言
电子产品在我们的生活中无处不在。
在这些产品中，电子封装技术起着举足轻重的作用。
随着IC制造业的迅速发展，电子封装产业面临着越来越大的挑战[1]。
随着对高性能、大功率、小型化在电子产品中要求的不断扩大，电子封装正从有引线(peripherallead)封装向平面阵列(area array)无引线封装趋势发展[2]。
由于焊点既能作为电气通道，又能在芯片和基板之间提供机械连接同时提高导热率，所以它在电子封装中得到r广泛的应用[3]。
因而焊点的可靠性问题是电子产品设计和使用时的核心问题之一。
电子封装件的焊点在服役过程中伴随着循环的热-机械应力作用，极易发生热疲劳和蠕变。
因此如何评测它的可靠性和寿命就变得非常迫切。
2 无铅焊料的发展
由于价格低廉，具有良好的导电性，优良的力学性能和可焊性，sn-Pb焊料成为连接器件和印刷电路板的首选焊接连接材料。
近年来，无铅焊料的研究和开发受到了越来越广泛的重视。
主要原因有：(1)研究表明Pb对人体的健康和环境有不利的影响；(2)传统的SnPb焊料剪切强度、抗蠕变和抗疲劳能力差，导致平面阵列封装的焊点过早失效；(3)电子产品应用领域的不断扩大，对焊料等互连材料提出了新的要求。
欧盟对电子产品实施RoHS(Restriction of：Haz-ardous Substances)法令无疑更加快了焊料无铅化的进程。
传统Sn-Pb焊料的无铅替代品原则上应符合以下要求[4]:(1)熔点接近传统Sn-Pb焊料的熔点，特别应该接近共晶sn-Pb焊料的熔点(～183℃)；(2)与基板材料或金属材料有较好的浸润能力；(3)机械性能至少不低于Sn-Pb焊料，抗疲劳性能好；(4)与现有的液体助焊剂相匹配；(5)加工性能好；(6)以焊膏形式存在时有足够的寿命和使用性能；(7)焊后缺陷率小；(8)价格合适，供应充足；(9)毒性小，不会对人和环境产生不
利影响。
国际上对无铅焊料的定义为：以Sn为基，添加Ag、Cu、Zn、Bi等元素构成的二元、三元甚至四元的共晶合金，代替SnPb焊料，其中W(Pb)应小于0．1％[5]。
表1给出了常
用锡基二元合金焊料的优缺点[6]。
3 Sn-Ag-Cu合金的主要性能
到日前为止已出现r许多种无钳焊料系列。
但是，国际上一致公认的最有可能取代铅锡焊料的足Sn-Ag-Cu合金系列[10]。
这种合金系列是在Sn-Ag合金的基础上添加Cu，能够在维持Sn-Ag合金良好性能的同时，稍微降低其熔，，而且添加Cu以后，能减少所焊材料中Cu的溶解。
Sn-Ag-cu的共晶成分还没有精确地确定下来。
在日本认为是96．5Sn3．0Ag0．5Cu，美国认为是95．5Sn3．9Ag0．6Cu，而欧盟则是
95．5Sn3．8Ag0．7Cu[7]。
3．1 典型Sn-Ag-Cu合金的物理性能
在典型的Sn-Ag-Cu合金组织照片(见图1)中，刚绕β-Sn初品形成了共品组织，几乎看不出与Sn-Ag共品晶组织有区别。
Ag3Sn徽细结晶具有相当长的纤维状组织，Cu6Sn5的
微细析出品粒混在其中。
根据相关文献[8]，Sn-Ag-Cu合金三元共晶点的成分为95．6Sn-3．5Ag-0．9cu(±1％)，其熔点为217℃，存在多个Sn-Ag-Cu成分点，这些点的熔化温度在217℃-227 ℃之间。
3．2 Sn-Ag-Cu合金的其他性能
Sn-Ag-cu合金的抗拉强度接近或高于Sn-Pb共品。
近共晶点合金的屈服强度、剪切强度、冲击韧性及蠕变抗力均高于Sn-Pb共晶焊料。
Sn-Ag-Cu合金，离共晶点成分越远，不仅
熔点升高，而且抗拉强度和剪切强度也升高，但延伸率降低。
而在浸润性方面，Sn-Ag-Cu
合金要比Sn-Pb共晶合金稍差一点[9]。
4 可靠性研究
电子器件服役时，当环境温度变化时由于芯片与基板、元器件与印刷电路板(PCB)材料热膨胀系数的差异，在焊点内部产生热应力而造成焊点的疲劳损伤；另一方面，相对于服役的环境温度，焊料自身熔点较低，随着时间的延续，产生明显的黏性行为而导致焊点的蠕变损伤。
可靠性问题还包括接头中电子迁移及接头与界面处的金属间化合物的生长。
焊点的可靠性研究主要集中在焊点的失效机制，影响焊点失效的因素，焊点失效的
检测及焊点的寿命预测等。
4．1 无铅焊点的主要失效形式及原因
当熔融的焊料与清净的基板接触时，在界面处会形成金属问化合物(Intermetallic compounds，IMc)。
在焊点服役时，其微结构会粗化，界面处的IMC亦会不断增长。
随IMC厚度的增长，会引起焊点中微裂纹萌生乃至断裂。
IMC造成失效的原因主要有：
(1)IMC达到一定厚度时会表现出脆性；(2)由于反应中组元的扩散速率不同造成Kirkendall空洞。
一般而言，界面处IMC越厚，焊点越可能在层间发生脆性断裂[10]。
电子器件在服役条件下，电路的周期性通断电和环境温度的周期性变化，会使焊点经受温度循环过程。
封装材料间的热膨胀失配，将使焊点中产生应力和应变，而应变基本上要由焊点来承担，造成焊点中裂纹的萌生和扩展并最终导致焊点失效。
蠕变是一种热激发过程，在许多条件下均能发生，由于室温(T=293K)已高于大部分无铅焊料熔点的一半(0．5T_)值。
因此蠕变是无铅焊料的主要变形方式之一。
4．2 可靠性的主要研究方法
对无铅焊点可靠性的研究方法主要有两种：试验法和数值模拟法。
4．2．1 试验法
任何封装件都不可避免地存在某种缺陷，为了确保其可靠性，必须在出厂前对其进行加速寿命试验。
该实验就是在实验室里进行试验来获得产品可靠性认证的有关数据。
加速寿命实验中的载荷要比实际应用中的载荷强度更大，在较短的时间内就可以观察到失效
模式，并获得可靠性数据[11]。
试验中主要测试的是在拉伸载荷、压缩载荷、剪切载荷等不同载荷下，材料和结构的动态响应，同时还测量材料和结构的拉伸强度、断裂强度和抗疲劳性等。
其中包括：芯片的断裂测试，凸点/焊球的剪切和抗拉测试，引线、连线的抗拉测试，芯片的剪切和抗拉试验，焊球阵列封装(Ball Grid Array，BGA)的剪切和抗拉试验，焊点材料和界面的疲劳
测试等。
研究焊点的抗疲劳能力的试验方法有：加电功率循环、热循环和机械疲劳三种。
循环试验适用于较大热膨胀系数(CTE)失配的部件。
由于在加速实验中最高和最低温度下保温时间要比在现场工作时间大大缩短，因而应力松弛不完全，所以现场上的失效寿命总是
小于加速实验中达到的寿命。
研究蠕变行为通常采用两类试验：同定负载下的持久应力试验和同定形变下的应力松弛试验，两类试验都可以用于模拟焊点服役过程中的负载条件。
持久应力试验能够提供静态蠕变速率与温度及应力大小的关系，更有利于了解蠕变机制，是一种更常用的方法。
Sn-Ag-Cu焊点可靠性研究步骤如下：
(1)将Sn-Ag-Cu焊料用模板印制到印制电路板(PCB)的焊盘上，用半自动贴片机贴好后，
在红外回流炉中进行再流焊，一般焊多组试样；
(2)将焊后的焊点在高温中(一般为l 50℃左右)保温不同时间(等温时效)后取出做显微剖
样及剪切强度测试；
(3)将焊后的PCB板放入热冲击试验箱中进行冷热循环试验，设定最高温度、最低温度、循环周期、高低温的保温时间，经过一定的循环周期后将试样取出进行显微剖样及剪切
强度测试；
(4)在不同热循环次数和等温时效时间下，比较焊点显微组织和剪切强度的变化，找出其
中的规律。
4．2．2 数值模拟法
众所周知，由于Sn-Ag-Cu焊点向小尺寸、细节距方向发展，这给试验带来了更大的困难。
为了克服上述困难，通常采用数值模拟法计算可靠性的数据。
计算不同场合下的封装结构的应力分布，有限元法(Finite Element Method，FEM)是一种非常强大和有效的方
法。
有限元模拟及在微组装焊点可靠性分析中的应用，主要集中在三个方面[12]：
(1)采用有限元分析，求解焊点内部循环非线性应变范围，代入Manson-coffin方程，预
测焊点寿命；
(2)根据焊点的最大：Mises等效应力或等效非弹性应变，预测裂纹萌生部位；
(3)以焊点的Mises等效应力分布，评价不同形态焊点的可靠性，指导焊点的优化设计。
有限元模拟包括以下几个阶段：首先建立本构方程或理论方程；然后采用适当的假设，编写有限元程序；进而计算结构系统在模拟条件下的应力-应变；将有限元分析结果代入疲劳模型，预测失效前的疲劳，循环次数；最后是试验验证。
在多数情况下试验法和数值模拟法是同时使用的。
这样二者相辅相成，能更好地研究焊
点的可靠性。
5 展望
电子封装件无铅化已经是大势所趋。
Sn-Ag-Cu焊料以其独特的优越性逐渐成为SnPb焊料替代品的首选。
随着对Sn-Ag-Cu可靠性研究的不断深入，这种焊料将会得到更广泛
的应用，发挥更大的潜能。