添加Cr对SnBi低温焊料合金性能的影响-深圳福英达
添加Cr对SnBi低温焊料合金性能的影响-深圳福英达
随着电子设备向小型化、轻量化和高密度化发展，对低温焊料的需求也日益增加 。低温焊料可以降低电子组件的热应力，减少热损伤，提高生产效率和节约能源 。SnBi合金是一种常用的低温焊料，具有熔点温度低（139℃）、抗蠕变性能好等优点 。然而，SnBi焊料合金的延展性因富Bi相引起的脆性和焊点中形成的脆性IMC而降低 。这些问题对焊点的可靠性产生不利影响，并且随着电子设备的日益微型化，这种影响将被放大 。
为了改善SnBi焊料合金的延展性和可靠性，许多研究者尝试在SnBi基础上添加其他元素，如Ag、Cu、Zn、In等 。Cr是一种过渡金属元素，由于其较低的成本和对焊料的强化作用引起了广泛的关注。Zhu等人在SnBi合金基础上分别添加0.1，0.2，0.3wt%的Cr，研究Cr对复合SnBi焊料的性能的影响。
图1（a）中可以检测到大量的解理面，这表明纯SnBi焊料的断裂机制是脆性断裂模式。如图1(b)所示，解理面几乎全部消失，晶粒轮廓不像图1(a)那样尖锐，因此焊料的脆性减弱。然而，在图1（c）和（d）中，SnBi-0.2Cr和SnBi-0.3Cr焊料合金中存在一些代表延性断裂模式的韧窝。结果表明，随着Cr的添加，焊料合金的断裂机制由脆性断裂转变为韧性断裂。
图1.(a)SnBi、(b)SnBi-0.1Cr、(c)SnBi-0.2Cr和(d)SnBi-0.3Cr焊料的背散射电?（BSE）微观结构图像。
图2.焊料中Cr含量与IMC厚度的函数关系。
进行拉伸试验的目的是评估Cr对焊点机械性能的影响。SnBi-xCr焊点（x1/40、0.1、0.2、0.3）的抗拉强度如图3所示。如图3直方图所示，焊点的抗拉强度随着Cr的添加而显著增加，而SnBi-0.2的抗拉强度则显着增加。Cr焊点为66MPa，是所有测试样本中最高的值。然而，焊点的抗拉强度变化趋势与焊板的抗拉强度变化趋势并不一致。焊点的极限拉伸强度受IMC厚度和焊料的影响。
图3.纯焊点和复合焊点的抗拉强度。
图4 描绘了纯焊料合金和复合焊料合金的蠕变深度。可以看出，整体复合焊料的蠕变性能在经过处理后得到了一定程度的增强。当样品受到20mN的最大力时，SnBi?0.2Cr 和 SnBi?0.3Cr 的蠕变深度分别170.44和176.76nm，与SnBi焊料相比，分别实现了有效减少34%和31%（约257.90nm）。效果的改善是由于存在Bi枝晶分支，它可以阻止位错并同时增强蠕变性能。另一方面，微观结构的细化也增强了复合焊料的蠕变性能。
图4. 不同Cr含量在20mN下的蠕变性能。
与纯SnBi焊料相比，SnBi-0.2Cr 焊料的微观结构明显细化。此外，CrSn2 IMCs的形成消耗了Sn相并导致富Bi枝晶分支的出现。
抗拉强度显示在拉伸测试期间SnBi-0.1Cr 焊料板增加了3%。然而，SnBi-0.2Cr 和 SnBi-0.3Cr 焊料板的延伸率分别增加了56%和53%。在焊料板的拉伸试验中，添加Cr会导致脆性断裂模式向延性断裂模式转变。复合焊点中Cu6Sn5 IMC层的形貌从细长的扇贝状变为连续的粗糙扇贝状，并且Cu6Sn5 IMC层的厚度减少。因此，断裂路径从部分IMC层转移到完全在焊料基体中，并且焊点的拉伸性能得到提升。SnBi-0.2Cr 焊点的抗拉强度比纯SnBi焊点提高了约10%。复合焊料的抗蠕变性能明显增强。
Zhu, W.， Zhang， W.， Zhou， W.， & Wu， P. （2019）. Improved microstructure and mechanical properties for SnBi solder alloy by addition of Cr powders. Journal of Alloys and Compounds 789 (2019) 805-813.
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