基于SAC的焊点在热循环作用下的微观结构演变：焊膏合金、焊膏体积和表面处理的影响

Sn-Ag-Cu焊料接头在热循环中因Ag3Sn粗化和再结晶导致疲劳加速，本研究对比了SAC305、SAC-Bi和SAC-Bi-Sb三种无铅焊料在三种paste体积（0.1/0.3/0.5）下的热循环可靠性，发现Bi掺杂的SAC-Bi性能最优，高paste体积使Ag3Sn粗化减弱且IMC层更薄，ENIG表面处理优于OSP。

摘要：

Sn–Ag–Cu (SAC) 焊点经常受到热循环的影响，这会导致微观结构的变化，从而加速热疲劳过程。在热循环过程中，Ag3Sn沉淀物的粗化和再结晶现象会发生，进而影响焊点的可靠性和微观结构。为了提高无铅（Pb）合金的高温性能，人们提出了添加铋（Bi）、锑（Sb）和铟（In）等掺杂元素的方案，这些元素可以通过固溶强化和分散强化机制来增强合金的性能。然而，关于第三代合金不同膏体用量对热循环可靠性和微观结构演变影响的研究还比较有限。本研究考察了三种不同膏体合金（SAC305、SAC-Bi 和 SAC-Bi-Sb）在印刷电路板（PCB）上安装的CABGA208组件的热循环可靠性，同时保持焊球尺寸为18密耳（mil）。分别打印了三种不同膏体用量，使得膏体与焊球体积比为0.1、0.3和0.5。PCB表面经过无电解镍浸金（ENIG）处理，并涂覆了有机可焊性保护层（OSP）。热循环测试的温度范围为-40°C至+125°C，停留时间为15分钟，升温速率为10°C/min。Weibull分析结果显示，掺杂合金的性能优于SAC305，其中SAC-Bi的可靠性最高。较高的膏体与焊球体积比通常能提高可靠性，但SAC-Bi-Sb在较高膏体用量下会形成较大的空洞。ENIG表面处理比OSP处理具有更好的性能，这可能是由于Ni层的有益作用。微观结构分析表明，较高的膏体用量显著减少了Ag3Sn的粗化程度，并使金属间化合物（IMC）层变得更薄，微观结构的变化也更小。

引言

由于铅（Pb）的毒性，无铅合金已经取代了含铅合金。因此，人们开发了多种替代品，其中SAC305是最广泛认可的替代品。为了进一步提高SAC合金在高温下的性能，通过固溶强化和分散强化机制引入了铋（Bi）、锑（Sb）、镍（Ni）和铟（In）等微量元素[1]、[2]、[3]。热循环是指温度的反复波动，它是导致焊点疲劳和失效的重要因素。在实际应用中，电子器件由于频繁的开关操作会受到热应力和机械应力的影响。焊点失效的主要原因是热疲劳，通常是由于器件与PCB之间的热膨胀系数（CTE）不匹配造成的。这种不匹配会导致器件和PCB在温度变化时以不同的速率膨胀和收缩，从而在焊点处产生机械应变。这种应变会导致焊点的微观结构发生变化，包括再结晶和晶粒变大，进而降低焊点的机械强度和可靠性。此外，热循环还会引起其他微观结构的变化，如Ag3Sn颗粒的粗化和IMC层的增长。这些变化直接影响焊点的机械性能，影响其抗疲劳能力和整体完整性[4]、[5]、[6]。