SAC305-SiC复合焊料对金属间化合物的影响

SAC305是一种很常见的中高温焊料，经常被用于二次回流焊接中。SAC305的导电性和焊接强度高，能够满足大部分微电子产品的使用要求。影响SAC305焊接强度的因素主要是金属间化合物（IMCs）生长。IMCs由于焊接时和老化过程中发生界面反应而成核并生长，其脆性可能会降低焊点的强度。SiC是一种具有独特的化学稳定性和超高熔点的陶瓷材料，同时其具有优秀的电学，机械和导热性能。不少研究证明SiC颗粒可以细化β-Sn和IMCs从而起到焊点增强作用。

SAC305-SiC
Pal等人选择将少量的SiC（1–3μm）和SAC305（20–24μm）合金粉末通过行星球磨工艺进行混合并制备增强型焊料，焊料制备是在室温下以200rpm转速搅拌1小时。样品被放置在铜基板上进行回流并随后在空气中冷却。SAC305-xSiC/Cu（x=0，0.5，1.0和1.5wt%）焊料样品在炉中在533K下加热30分钟并后续进行老化测试。通过观察IMC生长可以了解SiC对焊点的作用。

SiC的对IMCs的影响是什么？

l 图1展示了不同SiC添加量对IMCs层的影响。

可以发现普通SAC305焊料的IMCs层较厚。SAC305-SiC的IMCs层的厚度逐渐减少直到SiC颗粒添加量达到1.0wt.%。SAC305-1.0wt.%SiC复合焊料中Cu6Sn5和Cu3Sn的厚度分别降低了43.8%和39.6%。随着SiC的进一步增加，IMCs会轻微生长。

图1. SAC305-SiC焊料在413K老化100h后的IMC。(a)SiC=0; (b) SiC=1wt%; (c) SiC=1.5wt%。

l 铜原子通过各种通道的扩散，并形成了η-Cu6Sn5晶粒。η-Cu6Sn5晶粒沉积在较大的IMC上，因为较小的颗粒具有较高的溶解度。随着回流时间的增加，Cu6Sn5受到晶粒粗化的控制，最终堵塞了晶粒之间的通道。SiC颗粒由于高熔点而不会熔化，而是吸收在焊点本体中并且可以作为铜原子扩散的障碍。

l 焊料（SAC305-1.0wt.%SiC/Cu）样品在533K下回流30分钟，并分别在413K，423K，433K和443 K下老化（25，50，75和100小时）。通过图2可以发现IMCs层的生长随着老化时间和温度的增加而加快。在本研究中，Cu6Sn5和Cu3Sn层的厚度与老化时间的平方根呈线性关系。

图2. SAC305-1.0wt%SiC在不同温度老化温度和时间的IMC生长速度 （413K，423K，433K，and 443K）。

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参考文献
Pal, M.K., Gergely, G. & Gacsi, Z. (2023).Growth kinetics and IMCs layer analysis of SAC305 solder with the reinforcement of SiC during the isothermal aging condition. Journal of Materials Research and Technology, vol.24.

审核编辑 黄宇