无铅焊料的组织成分
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无铅焊料的组织成分
3.1 无铅焊料的组织分类
按已采用的几种候补合金,无铅焊料(包含波峰焊用、回流焊用、基板修正用等)可分为以下四个类型。
( 1 ) Sn-Ag 系
( 2 ) Sn -Bi 系
( 3 ) Sn-Zn 系
( 4 ) Sn -Cu 系
实际上,二元系合金要成为能满足各种特性的基本焊料是不完善的,例Sn-Ag 合金添加百分之一以下或百分之几的Bi 和Cu ,组成多元化形式的无铅焊料。但是,大体上焊料合金组织不会受添加元素的影响,反映出基本的二元系组织。
下面对代表性的无铅焊料组织特征进行归纳,但是对数据不足的Sn-Cu 系合金,其Cu 量由0.7wt%组成共晶,组织形式为Sn/Cu6Sm 共晶,微量的Cu 不能明显地观察其组织成分,本节暂时省略。
3.2 Sn-Ag 系合金的组织成分
Sn-Ag 系焊料,作为高熔点焊料已经开始以无铅焊料角色进入实用阶段,特别是其固有的微细组织、优良的机械特性和使用的可靠性,成为明显的替代合金焊料为用户接受。
图3.1 是Sn-Ag 二元合金的状态图和合金组织的SEM 照片,照片上白色的微粒子为Ag3Sn ,该合金Ag 量在3.5wt%时形成共晶点。在这个Ag 量组成以下的成为亚共晶,组成以上的成为过共晶,在照片上已充分地说明了其组织特征。这个合金组织表示了1Lm 以下的细密Ag3Sn 在Sn矩阵型基体中呈分散状的分散强化合金,由图3.1 的照片可以看到Ag3Sn 的粒子。照片只是一个截面组织,实际上具有相当长的纤维状。
图3.2 是Ag3sn 示分散状态下的TEM 照片,As3sn 具有Sn母相及其特定的方位关系,两者界面有良好的结晶匹配性,Ag3Sn 在数Dam 大小的环上分散,环内部大体上保持无结晶的形态,晶粒直径同其他焊料相同为数拾1Lm 大小,各个环状并不表示晶界,但是环状的形成会阻碍Ag3Sn 的变位,可以说形成了一种亚晶界。
Sn-Ag 系合金具有优良的机械特性,Ag-Sn 的微细分散状和亚晶界的形成,从组成的Sn-AR二元系合金状态图上。可想象出能得到均匀的Ag3Sn 结晶(共晶)。现实中对这种环状分散状态的组织不能预测,这时有必要对其形成的机理进行研究,一个是要考虑Ag/Sn 矩阵间晶格变形的缓和结构,另一个是由于不纯物的存在所生存核的不均匀性影响。作为纯度高的金属基材,最好要认可Ag3sn 分散形态的变化关系,Sn 中的Ag大致上不固溶,Ag3sn 作为稳定性好的化合物,Ag 对Sn中的固溶是不存在的,一旦Ag3Sn已形成,高温放置时也不易粗化,是一种耐热性好的焊料。
合金中随着Ag 量的增加,表示Ag 组成共晶时,也就是Ag 量在3.5%时的环的尺寸呈细微的分散状态,合金强度逐步上升至最高,其组织与细微化相对应。但是Ag 达到4%形成过共晶状,就会出现明显的劣化,产生数拾,Am 大小的粗化Ag3Sn 板状初晶(结晶)见图3.3不管哪一种合金,如生成数拾Lm 的金属化合物,将会起尺寸面的龟裂,对有可靠性要求的合金来说是必须避免的。这也说明,焊料合金的组成,应该避免粗化脆性初晶的生成。
在Sn-Ag 合金添加Bi 、cu 、zn 等合金元素的场合,仍可维持基本的Ag3Sn 细微分散组织。(见图3.4 ) ,例Sn-2Ag-7.5Bi-0.5Cu 组织,可看到较大的Bi 结晶,对Ag3Sn 的形成无变化,但如添加第三元素时,其组织亦会细微化。
分析界面组织,一般Sn 系焊料/Cu 界面,从Cu侧会形成层状Cu3 Sn/Cu6Sn5 , Sn-Ag 系焊料/Cu 也不例外,形成相同的反应层结构(见图3.5 的a ) , Cu3Sn 比较簿,且Cu 和Cu3Sn 的界面较为平坦。而Cu6Sn5较厚,在焊料一侧会形成许多突起。图3.5 的照片是在试验室条件下制成的,在进入实际回流焊时所得到的结果应该是相同的。焊料接合的拉伸试验,从图3.5 的b看到其龟裂发生在半岛状突出的Cu6Sn5根部,龟裂展示在顶端附近,因此,在高强度化应力集中的界面不希望产生凹凸不平现象,最好是形成平坦的界面。
基板组装时,由于热疲劳等因素所产生的龟裂,其应力集中的场所,对焊料弯月面、引线、基板焊区、元件材质与形状等的差异是不同的,大多数界面发生龟裂的原点是不限定的,其中在界面形成的反应层(特别是Cu6Sn5)是主要因素。Sn-Ag 系焊料焊接后在界面会形成厚的Cu6Sn5向固相状态反应时也会生成厚的CuSn。
Sn-Ag系合金添加Cu时,共晶点的改变Ag量约为4.7 % , Cu 量约在1.7%时产生共晶,例Sn-3.5 % Ag-0.7 % Cu 共晶,还存在未理解之处。这种合金如添加Zn,将会造成在提高合金细微化强度和蠕变特性的同时,焊料表面易形成坚固的氧化膜,使润湿性大大降低。
Sn-Zn 的合金化将会发生急剧的界面反应相,可合理地利用反应控制来加以改变,这将在后面进行解说。