Sn_Ag_Cu_Sb無鉛焊料物理性能.pdf

第 16卷 第 1期 2011年 2月 哈 爾 濱 理 工 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) JOURNAL OF HARBI N UN I VERSI TY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol 116No 11 Feb 2011 Sn Ag Cu Sb無鉛焊料物理性能 桂太龍 袁力鵬 郝 龍 賈 偉 董小麗 哈爾濱理工大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150080 摘 要 為了獲得不同性能的電子封裝焊料 制備了摻雜 Sb 銻 的 Sn 3135 Ag 017Cu無鉛焊料 合金 并對其密度 楊氏模量 硬度等重要物理性能進(jìn)行了測定 測得該無鉛焊料的密度為 712106 g cm 3 楊氏模量為 43GPa 硬度為 9617N mm 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 同未摻雜 Sn 3135Ag 017Cu焊料合金相 比 硬度略有降低 熔點(diǎn)下降不明顯 但密度有顯著降低 楊氏模量 潤濕性有明顯的提高 關(guān)鍵詞 無鉛焊料 密度 楊氏模量 硬度 中圖分類號(hào) TB331文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A文章編號(hào) 1007 2683 2011 01 0022 03 Research on Physical Properties of Sn Ag Cu Sb Solder GU I Tai long YUAN Li peng HAO Long JIA Wei DONG X iao li School ofApplied Sciences Harbin University of Science and Technology Harbin 150080 China Abstract W e prepare of the doped Sb anti mony of the Sn 3135Ag 017Cu lead free solder alloy Its i m portant physical propertiesweremeasured density Young smodulus hardness and so on The density is 7 210 6g cm 3 Young smodulus is 43GPa and the hardness is 96 7N mm 2 The experi mental results show that non doped w ith Sn 3135Ag 017Cu solder alloys the hardness slightly lower themelting points do not drop obvious ly than that not doped However there is a significant reduction in density Young s modulus and wetting p proper ties are significantly i mproved Key words lead free solder density Young modulus rigidity 收稿日期 2009 12 20 基金項(xiàng)目 黑龍江省自然科學(xué)項(xiàng)目 E200809 作者簡介 桂太龍 1952 男 教授 E ma i l guitl1952 yahoo com cn 0 引 言 傳統(tǒng)的錫鉛焊料在電子封裝中已經(jīng)應(yīng)用了半 個(gè)多世紀(jì) 是一種極為理想的電子封裝焊料 但是 近年來隨著人們對環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng) 美國 日本 歐盟和我國相繼制定并嚴(yán)厲執(zhí)行相關(guān)禁止含鉛焊 料在電子產(chǎn)品封裝中使用的法令 1 因此 國內(nèi)外 已推出一些無鉛焊料合金 如 Sn Ag Sn Cu Sn Bi Sn Ag Cu等無鉛焊料 由于微電子產(chǎn)品焊 點(diǎn)尺寸越來越小 引線間距越來越窄 而其所承受 的熱學(xué) 電學(xué)及力學(xué)載荷卻都越來越高 這就要求 焊料應(yīng)具有更加優(yōu)良的物理性能 2 3 文 4 曾對 Sn 3 0Ag 0 5Cu焊料中摻雜 Sb研究表明 其 顯微組織結(jié)構(gòu)更細(xì)化 更均勻 電阻率明顯降低 導(dǎo)電性提高 但與傳統(tǒng)含鉛焊料的了解程度相比 還很 缺乏 本文制備 了 Sn 3 35Ag 017Cu 015Sb無鉛焊料 對其熔點(diǎn) 密度 楊氏模量 硬度 等物理性能進(jìn)行了測試 1 實(shí) 驗(yàn) 111 樣品的制備 實(shí)驗(yàn)選用原料為深圳中成錫業(yè)公司生產(chǎn)的 Sn 3 0Ag 0 5Cu 無鉛焊料 所選摻雜材料 Sb 銻 純度 99199 制 備樣品時(shí)將各種材料用 MP200B精密電子天平按比例準(zhǔn)確稱量配制 摻雜 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0 5 的 Sb 將配制的試料分別放入 陶瓷坩鍋中 置于電阻爐中加熱至 680e 保溫 510m in 熔煉成錫 銀 銅 銻無鉛焊料合金 112 熔點(diǎn)測試 通過差示掃描量熱儀測量了未摻雜樣品和摻雜 不同比例 Sb的 4種樣品的熔點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)采用美國 Per kin El mer公司 Pyris Dia mond DSC型差示掃描量熱 儀 測試過溫度從 30e 升高到 300e 樣品質(zhì)量為 6 mg 加熱速率均為 10e m in 可以得出當(dāng) Sb的摻 雜比例為 015 時(shí) 熔點(diǎn)下降最多 但也僅僅下降了 0107e 可見 Sb的加入并沒有使 Sn 3 0Ag 0 5Cu 的熔點(diǎn)顯著增加 而且當(dāng)加入過量的 Sb時(shí) 熔點(diǎn)反而升高 4 113 密度測量 所用 儀 器 細(xì)繩 燒 杯 電子 天 平 精 確 度 0101mg 本次試樣中的工作液體為蒸餾水 根據(jù)密 度的定義 利用物體的密度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算 5 為 Q m1Q0 m2 m0 1 式中 m0為無試樣時(shí)吊具懸在液體中的質(zhì)量 m1為 物體在空氣中稱得的質(zhì)量 m2為浸在液體中稱得的 質(zhì)量 Q0為蒸餾水的密度 本實(shí)驗(yàn)采用 MP200B型電子精密天平進(jìn)行測 量 測得數(shù)據(jù)如表 1所示 對表中數(shù)據(jù)處理可得 Q 71210 6 g cm 3 表 1 密度測量值 次數(shù)m0 gm1 gm2 g Q g cm 3 1711654 0221304 5741688071204 5 2931628 0221304 6961646171242 5 3931174 0221304 7961212671185 1 制備的錫 銀 銅 銻無鉛焊料合金 有鉛和 另 2種無鉛焊料合金的密度對比如表 2所示 表 2 4種焊料的密度對比 序號(hào)焊料合金體系 密度 Q g cm 3 1Sn 37Pb8140 2Sn 310Ag 015Cu71404 3 3Sn 311Ag 810Bi 215Cu 117In71362 8 4Sn 3135Ag 017Cu 0 13Sb71210 6 從表 2可以看出 在 Sn Ag Cu中加入質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為 015 的 Sb之后 焊料合金的密度降低了 01193 7 g c m 3 與傳統(tǒng)的 Sn 37Pb焊料相比具有低 比重的優(yōu)勢 對于微電子產(chǎn)品的重量減輕方面具有 較大意義 114 楊氏模量測試 在形變中 最簡單的形變是柱狀物體受外力作 用時(shí)的伸長或縮短形變 6 楊氏彈性模量的測量公 式為 Y 8 mgLD Pd 2 b 1 n 2 式中 m 砝碼質(zhì)量 L拉伸前焊料的長度 D反光鏡距 標(biāo)尺的距離 d焊料的直徑 b反光鏡距焊料的距離 n 光杠桿轉(zhuǎn)換后的量 其測試原理如下圖 1所示 圖 1 光杠桿測量原理圖 實(shí)驗(yàn)測得焊料伸長量如表 3所示 b 3180 c m L 62102 c m D 6112 c m 用螺旋測微器測得焊料 平均直徑 d為 01103 2mm 表 3 焊料的微小伸長量 質(zhì)量 g拉伸 cm質(zhì)量 g拉伸 cm 01114020011160 501114625011165 1001115030011172 1501115635011177 對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可得 Y 43GPa 楊氏模量 的大小標(biāo)志了焊料本身的剛性 楊氏模量越大 越不 容易發(fā)生形變 由表 4知 同其它焊料合金相比 Sb 元素的加入使得焊料合金的楊氏模量有了顯著提 高 從而有效的提高了焊點(diǎn)的可靠性 表 4 不同焊料楊氏模量的對比 序號(hào)焊料合金楊氏模量 Y GPa 1Sn 37Pb1517 2Sn 315A g2612 3Sn 2A g 36Pb1810 4Sn 3135Ag 017Cu 013Sb4311 23第 1期桂太龍等 Sn Ag Cu Sb無鉛焊料物理性能 115 潤濕性的測試 所謂潤濕就是指在熔融焊料在被焊金屬表面上 形成均勻 平滑 連續(xù)并且附著牢固合金的過程 一 定氣氛下焊料對某種基體潤濕性的好壞 在某種程 度上反映了該焊料可焊性的優(yōu)劣 本文對不同摻雜比例焊料的潤濕性進(jìn)行了測 試 實(shí)驗(yàn)利用 AUTOCAD軟件測量鋪展面積的方法 所有實(shí)驗(yàn)樣品的潤濕角范圍在 2412b 3213b 之間 測得未摻雜樣品和摻雜不同比例 Sb的無鉛焊料樣 品的潤濕角的對比曲線如圖 2所示 可見 摻雜 Sb 后 Sn 3 0Ag 0 5Cu焊料的潤濕角明顯減小 特 別是在 Sb的摻雜比例為 015 時(shí) 潤濕角最小 最 大幅度地提高了焊料的潤濕性 4 圖 2 實(shí)驗(yàn)樣品的潤濕角比較曲線 116 硬度測試 本實(shí)驗(yàn)采用壓痕法進(jìn)行測試 試驗(yàn)后壓痕 d應(yīng) 在下列范圍 012 D d 016 D 3 硬度計(jì)算公式為 HB 2 P P D D D 2 d 2 4 式中 P 載荷 D 釬料直徑 d壓痕直徑 本實(shí)驗(yàn)采用 HB 3000型布氏硬度試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行 測試 它是利用一個(gè)主要負(fù)載和一個(gè)次要負(fù)載來進(jìn) 行測試 7 如圖 3所示 圖 3 硬度測試原理圖 測得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 5所示 表 5 焊料硬度測量值 測量次數(shù)HB GPa 19186 29178 39194 平均值9186 對其數(shù)據(jù)處理可得 HB 9186GPa 在加入 Sb 之后 同其它焊料相比硬度略有降低 對一種材料 硬度和強(qiáng)度成正比 硬度和韌性成反比 因此 在選 擇材料時(shí)并不是硬度越高越好 需要考慮材料本身 的彈性模量 2 結(jié) 語 通過對 Sn 3135Ag 017Cu 013Sb無鉛焊料 合金熔點(diǎn) 密度 楊氏模量 硬度的測試 得出該焊料 與其它焊料合金相比 密度明顯降低 對于電子工業(yè) 的輕量化具有較大的作用 從成本的角度考慮 所需 的焊料越少 可以降低無鉛焊料的使用成本 這對使 用多元合金化方式尋求成本適宜的替代無鉛焊料具 有現(xiàn)實(shí)意義 楊氏模量有顯著提高 說明焊料形變較 小 因而焊點(diǎn)在相同的應(yīng)力狀態(tài)下具有更長的壽命 從而有助于提高了焊點(diǎn)的可靠性 但硬度略有降低 而且該無鉛焊料合金潤濕角減小 潤濕性增強(qiáng) 可見 由于 Sb元素的摻雜使得 Sn 3 0Ag 0 5Cu焊料 合金的物理性能有了較大改善 參 考 文 獻(xiàn) 1 賈紅星 劉素琴 黃金亮 等 電子組裝用無鉛焊料的研究進(jìn)展 J 材料開發(fā)與應(yīng)用 2003 8 5 42 46 2 侯正軍 陳玉華 無鉛焊料的發(fā)展 J 電子與封裝 2005 5 5 8 10 3 夏志東 雷永平 史耀武 等 無鉛焊料的趨勢及問題 J 家電 科技 2005 1 41 43 4 梁麗超 桂太龍 許晶 等 摻雜 Sb的 Sn Ag Cu系焊料性能 的影響 J 應(yīng)用科技 2008 34 8 62 64 5 林培豪 銦鉍硫?qū)?Sn A g基無鉛焊料性能的影響 J 電子元 件與材料 2003 22 10 33 34 6 L I U Johan Lead Free So lder and So ldering for Inter connect in E lectronicsM anufac