無鉛焊點(diǎn)材料305SAC的研究

刊名：International Journal of Precision Engineering and Manufacturing（英）

刊期：2016年第12期

作者：Min-Soo Kang

編譯：于雅靜

通過熱壽命試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)和有限元分析方法（FEM）研究了305SAC無鉛材料焊接接頭的特性，并針對焊點(diǎn)的可靠性進(jìn)行了試驗(yàn)測試。測試了汽車電子中R1608和C1608芯片的無鉛焊點(diǎn)，并進(jìn)行了熱壽命試驗(yàn)以模擬汽車運(yùn)行環(huán)境。通過熱壽命測試和剪切試驗(yàn)來測量材料強(qiáng)度的變化，并利用元素分析的方法進(jìn)一步觀察焊接處和斷裂面，從而得到如下試驗(yàn)結(jié)果。

（1）剪切試驗(yàn)表明，應(yīng)力集中在芯片電極（銀、銅）和鍍鎳層（金屬隔層）。

（2）經(jīng)熱壽命測試（85～105℃，20min/周期，1600個周期），R1608和C1608芯片的抗剪強(qiáng)度分別下降了24.1%和8.2%。

（3）R1068芯片的失效始于鎳鍍層和銀電極中的銀界面，并擴(kuò)散到焊料層。熱壽命測試后進(jìn)行元素分析發(fā)現(xiàn)：化合物元素比重原來鎳占74.2%、銀占21.3%變?yōu)殒囌?5.5%、銀占26.1%；鎳的厚度由5mm變?yōu)?mm。

（4）C1608芯片的失效始于作為金屬隔層的鎳鍍層（質(zhì)量占99.1%）并擴(kuò)散到焊料層，芯片失效出現(xiàn)在熱壽命測試之后的銅電極（質(zhì)量占98.4%）。熱壽命測試表明，鎳的厚度由6mm變?yōu)?mm。

（5）根據(jù)鎳鍍層擴(kuò)散和芯片電極（銀、銅）對剪切強(qiáng)度的影響，以及金屬擴(kuò)散所導(dǎo)致的兩種材料力學(xué)性能的改變，熱壽命試驗(yàn)后元素比例和失效形式存在不同。

（6）從剪切試驗(yàn)后產(chǎn)生的斷裂面中提取大量鎳表明，鎳鍍層的結(jié)合強(qiáng)度是焊點(diǎn)中最弱的一個。

（7）由于受晶粒遷移的影響，因此作為金屬隔層的鎳更容易受到車輛行駛時(shí)產(chǎn)生高溫?zé)崃康挠绊憽?/p>

對斷裂面元素的研究分析表明，這些元素通過在高溫老化材料間的熱擴(kuò)散形成了金屬化合物Cu3Sn，Cu6Sn5，Ag3Sn和Ni3Sn4。在這些金屬化合物厚度變化的早期，熱擴(kuò)散所引起的鍍鎳層和芯片電極間的晶界遷移造成了剪切強(qiáng)度的降低。因此，控制車輛在常見高溫行駛工況下銅墊與焊點(diǎn)間產(chǎn)生金屬化合物的種類和厚度是很有必要的。