Sn_Ag_Cu_Sb无铅焊料物理性能.pdf

第 16卷 第 1期 2011年 2月 哈 尔 滨 理 工 大 学 学 报 JOURNAL OF HARBI N UN I VERSI TY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol 116No 11 Feb 2011 Sn Ag Cu Sb无铅焊料物理性能 桂太龙 袁力鹏 郝 龙 贾 伟 董小丽 哈尔滨理工大学 应用科学学院 黑龙江 哈尔滨 150080 摘 要 为了获得不同性能的电子封装焊料 制备了掺杂 Sb 锑 的 Sn 3135 Ag 017Cu无铅焊料 合金 并对其密度 杨氏模量 硬度等重要物理性能进行了测定 测得该无铅焊料的密度为 712106 g cm 3 杨氏模量为 43GPa 硬度为 9617N mm 2 实验结果表明 同未掺杂 Sn 3135Ag 017Cu焊料合金相 比 硬度略有降低 熔点下降不明显 但密度有显著降低 杨氏模量 润湿性有明显的提高 关键词 无铅焊料 密度 杨氏模量 硬度 中图分类号 TB331文献标志码 A文章编号 1007 2683 2011 01 0022 03 Research on Physical Properties of Sn Ag Cu Sb Solder GU I Tai long YUAN Li peng HAO Long JIA Wei DONG X iao li School ofApplied Sciences Harbin University of Science and Technology Harbin 150080 China Abstract W e prepare of the doped Sb anti mony of the Sn 3135Ag 017Cu lead free solder alloy Its i m portant physical propertiesweremeasured density Young smodulus hardness and so on The density is 7 210 6g cm 3 Young smodulus is 43GPa and the hardness is 96 7N mm 2 The experi mental results show that non doped w ith Sn 3135Ag 017Cu solder alloys the hardness slightly lower themelting points do not drop obvious ly than that not doped However there is a significant reduction in density Young s modulus and wetting p proper ties are significantly i mproved Key words lead free solder density Young modulus rigidity 收稿日期 2009 12 20 基金项目 黑龙江省自然科学项目 E200809 作者简介 桂太龙 1952 男 教授 E ma i l guitl1952 yahoo com cn 0 引 言 传统的锡铅焊料在电子封装中已经应用了半 个多世纪 是一种极为理想的电子封装焊料 但是 近年来随着人们对环保意识的加强 美国 日本 欧盟和我国相继制定并严厉执行相关禁止含铅焊 料在电子产品封装中使用的法令 1 因此 国内外 已推出一些无铅焊料合金 如 Sn Ag Sn Cu Sn Bi Sn Ag Cu等无铅焊料 由于微电子产品焊 点尺寸越来越小 引线间距越来越窄 而其所承受 的热学 电学及力学载荷却都越来越高 这就要求 焊料应具有更加优良的物理性能 2 3 文 4 曾对 Sn 3 0Ag 0 5Cu焊料中掺杂 Sb研究表明 其 显微组织结构更细化 更均匀 电阻率明显降低 导电性提高 但与传统含铅焊料的了解程度相比 还很 缺乏 本文制备 了 Sn 3 35Ag 017Cu 015Sb无铅焊料 对其熔点 密度 杨氏模量 硬度 等物理性能进行了测试 1 实 验 111 样品的制备 实验选用原料为深圳中成锡业公司生产的 Sn 3 0Ag 0 5Cu 无铅焊料 所选掺杂材料 Sb 锑 纯度 99199 制 备样品时将各种材料用 MP200B精密电子天平按比例准确称量配制 掺杂 的质量分数为 0 5 的 Sb 将配制的试料分别放入 陶瓷坩锅中 置于电阻炉中加热至 680e 保温 510m in 熔炼成锡 银 铜 锑无铅焊料合金 112 熔点测试 通过差示扫描量热仪测量了未掺杂样品和掺杂 不同比例 Sb的 4种样品的熔点 实验采用美国 Per kin El mer公司 Pyris Dia mond DSC型差示扫描量热 仪 测试过温度从 30e 升高到 300e 样品质量为 6 mg 加热速率均为 10e m in 可以得出当 Sb的掺 杂比例为 015 时 熔点下降最多 但也仅仅下降了 0107e 可见 Sb的加入并没有使 Sn 3 0Ag 0 5Cu 的熔点显著增加 而且当加入过量的 Sb时 熔点反而升高 4 113 密度测量 所用 仪 器 细绳 烧 杯 电子 天 平 精 确 度 0101mg 本次试样中的工作液体为蒸馏水 根据密 度的定义 利用物体的密度计算公式进行计算 5 为 Q m1Q0 m2 m0 1 式中 m0为无试样时吊具悬在液体中的质量 m1为 物体在空气中称得的质量 m2为浸在液体中称得的 质量 Q0为蒸馏水的密度 本实验采用 MP200B型电子精密天平进行测 量 测得数据如表 1所示 对表中数据处理可得 Q 71210 6 g cm 3 表 1 密度测量值 次数m0 gm1 gm2 g Q g cm 3 1711654 0221304 5741688071204 5 2931628 0221304 6961646171242 5 3931174 0221304 7961212671185 1 制备的锡 银 铜 锑无铅焊料合金 有铅和 另 2种无铅焊料合金的密度对比如表 2所示 表 2 4种焊料的密度对比 序号焊料合金体系 密度 Q g cm 3 1Sn 37Pb8140 2Sn 310Ag 015Cu71404 3 3Sn 311Ag 810Bi 215Cu 117In71362 8 4Sn 3135Ag 017Cu 0 13Sb71210 6 从表 2可以看出 在 Sn Ag Cu中加入质量 分数为 015 的 Sb之后 焊料合金的密度降低了 01193 7 g c m 3 与传统的 Sn 37Pb焊料相比具有低 比重的优势 对于微电子产品的重量减轻方面具有 较大意义 114 杨氏模量测试 在形变中 最简单的形变是柱状物体受外力作 用时的伸长或缩短形变 6 杨氏弹性模量的测量公 式为 Y 8 mgLD Pd 2 b 1 n 2 式中 m 砝码质量 L拉伸前焊料的长度 D反光镜距 标尺的距离 d焊料的直径 b反光镜距焊料的距离 n 光杠杆转换后的量 其测试原理如下图 1所示 图 1 光杠杆测量原理图 实验测得焊料伸长量如表 3所示 b 3180 c m L 62102 c m D 6112 c m 用螺旋测微器测得焊料 平均直径 d为 01103 2mm 表 3 焊料的微小伸长量 质量 g拉伸 cm质量 g拉伸 cm 01114020011160 501114625011165 1001115030011172 1501115635011177 对测量数据进行处理可得 Y 43GPa 杨氏模量 的大小标志了焊料本身的刚性 杨氏模量越大 越不 容易发生形变 由表 4知 同其它焊料合金相比 Sb 元素的加入使得焊料合金的杨氏模量有了显著提 高 从而有效的提高了焊点的可靠性 表 4 不同焊料杨氏模量的对比 序号焊料合金杨氏模量 Y GPa 1Sn 37Pb1517 2Sn 315A g2612 3Sn 2A g 36Pb1810 4Sn 3135Ag 017Cu 013Sb4311 23第 1期桂太龙等 Sn Ag Cu Sb无铅焊料物理性能 115 润湿性的测试 所谓润湿就是指在熔融焊料在被焊金属表面上 形成均匀 平滑 连续并且附着牢固合金的过程 一 定气氛下焊料对某种基体润湿性的好坏 在某种程 度上反映了该焊料可焊性的优劣 本文对不同掺杂比例焊料的润湿性进行了测 试 实验利用 AUTOCAD软件测量铺展面积的方法 所有实验样品的润湿角范围在 2412b 3213b 之间 测得未掺杂样品和掺杂不同比例 Sb的无铅焊料样 品的润湿角的对比曲线如图 2所示 可见 掺杂 Sb 后 Sn 3 0Ag 0 5Cu焊料的润湿角明显减小 特 别是在 Sb的掺杂比例为 015 时 润湿角最小 最 大幅度地提高了焊料的润湿性 4 图 2 实验样品的润湿角比较曲线 116 硬度测试 本实验采用压痕法进行测试 试验后压痕 d应 在下列范围 012 D d 016 D 3 硬度计算公式为 HB 2 P P D D D 2 d 2 4 式中 P 载荷 D 钎料直径 d压痕直径 本实验采用 HB 3000型布氏硬度试验机进行 测试 它是利用一个主要负载和一个次要负载来进 行测试 7 如图 3所示 图 3 硬度测试原理图 测得实验数据如表 5所示 表 5 焊料硬度测量值 测量次数HB GPa 19186 29178 39194 平均值9186 对其数据处理可得 HB 9186GPa 在加入 Sb 之后 同其它焊料相比硬度略有降低 对一种材料 硬度和强度成正比 硬度和韧性成反比 因此 在选 择材料时并不是硬度越高越好 需要考虑材料本身 的弹性模量 2 结 语 通过对 Sn 3135Ag 017Cu 013Sb无铅焊料 合金熔点 密度 杨氏模量 硬度的测试 得出该焊料 与其它焊料合金相比 密度明显降低 对于电子工业 的轻量化具有较大的作用 从成本的角度考虑 所需 的焊料越少 可以降低无铅焊料的使用成本 这对使 用多元合金化方式寻求成本适宜的替代无铅焊料具 有现实意义 杨氏模量有显著提高 说明焊料形变较 小 因而焊点在相同的应力状态下具有更长的寿命 从而有助于提高了焊点的可靠性 但硬度略有降低 而且该无铅焊料合金润湿角减小 润湿性增强 可见 由于 Sb元素的掺杂使得 Sn 3 0Ag 0 5Cu焊料 合金的物理性能有了较大改善 参 考 文 献 1 贾红星 刘素琴 黄金亮 等 电子组装用无铅焊料的研究进展 J 材料开发与应用 2003 8 5 42 46 2 侯正军 陈玉华 无铅焊料的发展 J 电子与封装 2005 5 5 8 10 3 夏志东 雷永平 史耀武 等 无铅焊料的趋势及问题 J 家电 科技 2005 1 41 43 4 梁丽超 桂太龙 许晶 等 掺杂 Sb的 Sn Ag Cu系焊料性能 的影响 J 应用科技 2008 34 8 62 64 5 林培豪 铟铋硫对 Sn A g基无铅焊料性能的影响 J 电子元 件与材料 2003 22 10 33 34 6 L I U Johan Lead Free So lder and So ldering for Inter connect in E lectronicsM anufac