银包铜颗粒对SnBi焊料的影响

Sn42Bi58共晶焊料是一种应用广泛的低温无铅焊料，有着优异的抗蠕变性和低熔点，能够适用于不耐热的元器件的焊接，并且可以作为多次回流中的低温环节。Sn42Bi58共晶焊料含有大量的Bi，因此焊接会形成富Bi层，这往往会导致脆性，低电导率和低热导率等可靠性问题。提高SnBi焊料的可靠性的方法有加入少量的Ag元素。还有一种比较新的技术，即往Sn42Bi58共晶焊料中加入银包铜颗粒(Cu@Ag)。

由于Ag和Ag3Sn IMCs具有优异的电学和热学性能，因此加入到Sn42Bi58焊料可以起到改善焊料的功能。但是Ag价格较高，因而可以选择Cu@Ag来替代。为了验证Cu@Ag的对焊点各项性能的影响，Li等人做了一系列实验。实验用的改良SnBi锡膏由15%Cu@Ag核壳颗粒，75%的SnBi共晶颗粒和10%的助焊剂组成。实验中时用到的Cu颗粒的粒径为20-45μm，Ag壳的厚度为1-1.5μm。

图1. Cu@Ag核壳颗粒放大图像。

实验结果

在添加了Cu@Ag核壳颗粒，壳和焊料之间会出现明显的Ag原子浓度梯度，因而来自壳的Ag会连续扩散到焊料中。在回流过程中Ag会和Sn形成 Ag3Sn IMC。Ag3Sn的出现一定程度细化了共晶结构，有益于焊点强度。随着Ag壳的消耗，Cu会暴露在焊料中并与Sn反应形成Cu6Sn5。

焊点性能

对于普通SnBi焊料中，从电流图中未发现有明显电流强度，表明整体导电性较差。不同的是，SnBi焊料加入Cu@Ag后，当富Bi相中的电流保持较低时，Cu核心和富Sn区域中的电流都显著增加。这证明SnBi焊料的导电性可以通过添加Cu@Ag核壳颗粒来提高。

图2. 焊点电流图。(c1-c2)普通SnBi共晶焊料；(c3-c4)改良SnBi焊料。

在第一次回流期间，Ag壳的溶解不会直接影响SnBi焊料的熔化，因此改性的SnBi焊料的熔点基本没变。不同的是，添加了Cu@Ag核壳颗粒使改性SnBi焊料的热导率，电导率和拉伸强度显著提高。改性SnBi焊料的热导率提高到41 W.m-1K-1左右，比普通SnBi焊料显著提高约90%。改性SnBi焊料的电导率比普通SnBi焊料提高了59%。改性SnBi焊料的抗拉强度提高到接近100MPa。

图3. 普通SnBi共晶焊料(a1,b1,b2,c1,c2)和改良SnBi焊料(a2,b3,b4,c3,c4)的性能和微观结构对比。

焊点断裂模式

如图3所示，在SnBi焊料中，断裂行为由富Sn相的韧性和富Bi相的脆性之间的相互作用决定。明显的是，裂纹会倾向于优先沿脆性富Bi相扩展。因此，SnBi焊料的断裂机制归因于脆性富Bi相。然而，添加Cu@Ag核壳颗粒后，焊点微观结构出现了凸起和凹坑形态的精细结构。尽管断裂表面仍然以富Bi相（黄色）为主，但出现了分散的富Sn相（蓝色），Cu6Sn5 IMCs（紫色）和Ag3Sn颗粒（绿色）。焊点断裂行为从主要脆性断裂模式转变为脆性和韧性混合断裂模式。

参考文献

Li, S.Q., Li, Q.H., Cao, H.J., Zheng, X.Z. & Zhang, Z.H. Significant enhancement of comprehensive properties of SnBi solder through the addition of Cu@Ag core-shell particles. Materials Science and Engineering: A, vol.881.