SAC305锡膏在不同铜基板的焊接表现

SAC305作为一种应用广泛的无铅焊料，有着优秀的机械强度，导电性和导热性。铜基板是最常见的基板材料之一，因此SAC305类型的焊料在铜基板上的焊接效果备受关注。对于无铅焊点而言，焊料和基板之间的界面反应和IMC演变是影响焊接可靠性的关键因素。通常SAC305锡膏在加热时会与Cu基板反应会生成Cu6Sn5 IMC。为了达到良好的焊点性能，可以对Cu基板进行一些工艺处理从而控制IMC生长。本文会讨论SAC305在不同Cu基板上的焊接效果。

实验过程
Li等人选择了两种Cu基板处理方式，包括将Cu基板放置于气氛保护下进行1000°C加热处理(H-Cu)和将Cu基板表面覆上石墨烯(G-Cu)。随后他们将SAC305和SAC305-0.3Ni熔化成直径1.6mm焊料球。最后260°C加热60s将SAC305、SAC305-0.3 Ni焊料球焊接到Cu，H-Cu和G-Cu基板上。

实验结果
IMC结构
对于Cu，H-Cu和G-Cu基板，Cu6Sn5都是主要的IMC生长类型。H-Cu基板上的Cu6Sn5层比单纯Cu基板上的Cu6Sn5层更厚且更光滑。这是因为经过高温处理后，Cu基板的结构由多晶结构转变为单晶结构。单晶结构会影响Cu6Sn5层的粗糙度。另外，G-Cu基板上的Cu6Sn5焊料层的厚度低于另外两个基板。G-Cu衬底上石墨烯涂层的不仅能减缓金属表面的氧化，还能一定程度抑制原子扩散。

图1. SAC305和Cu基板的界面IMC。(a)Cu基板；(b)H-Cu基板；(c)G-Cu基板。
 
在SAC305中添加0.3wt%的Ni后，界面IMC从Cu6Sn5转变为(Cu，Ni)6Sn5。Cu基板上的(Cu，Ni)6Sn5层的厚度要大于图1(a) Cu6Sn5的厚度。H-Cu上的(Cu，Ni)6Sn5层厚度比在Cu基板上更薄。此外，G-Cu基板上的IMC层要比另外两个基板上的IMC要薄。总体而言，SAC305-0.3Ni会比SAC305形成更加多的IMC。

图2. SAC305-0.3Ni和Cu基板的界面IMC。(a)Cu基板；(b)H-Cu基板；(c)G-Cu基板

焊料层硬度
SAC305焊料在Cu基板上的平均硬度最高，其次是H-Cu和G-Cu基板。与Cu和H-Cu基板上SAC305共晶焊料块的微观结构相比， SAC305共熔焊料块在G-Cu基板上会形成更多的β-Sn和更低的共晶相浓度。由于β-Sn硬度较低，G-Cu基板上SAC305焊料块的硬度最低。此外，由于Ni添加物细化晶粒和抑制共晶相的作用，SAC305-0.3Ni焊料的硬度比普通SAC305更低。
 

图3. SAC305和SAC305-0.3Ni焊料硬度。

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参考文献
Li, S.L., Liu, Y., Zhang, H., Cai, H., Sun, F.L. & Zhang, G.Q. (2018). “Microstructure and hardness of SAC305 and SAC305-0.3Ni solder on Cu, high temperature treated Cu, and graphene-coated Cu substrates”. Results in Physics, vol.11. 

审核编辑 黄宇