軋制道次對SAC305合金焊料焊接性能的影響

何 棋，李偉超，郭紹雄，萬偉超，張家濤

(云南錫業(yè)集團(控股)有限責任公司研發(fā)中心，云南 昆明 650101)

0 引 言

隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，光電子行業(yè)日益崛起，在國民實體經(jīng)濟中承擔了十分重要的角色.隨著科技的進步，光電子產(chǎn)品中的電子封裝技術(shù)愈發(fā)朝著高端化、精細化、多媒體化和環(huán)?；较虬l(fā)展，這對電子封裝領(lǐng)域中的焊接材料提出了更為苛刻的要求.

良好的焊接材料對電子封裝制造非常重要，只有選擇合適的焊接材料才能獲得可靠的封裝和連接[1].傳統(tǒng)的錫-鉛(Sn-Pb)焊料在電子封裝領(lǐng)域中表現(xiàn)出較優(yōu)異的性能[2].其可焊性好，焊接溫度合適，焊接強度大，潤濕鋪展性較好且焊接工藝成熟[3].但因焊料中含有重金屬鉛，會抑制蛋白質(zhì)的正常代謝，破壞人的神經(jīng)系統(tǒng)，對人體產(chǎn)生極大的傷害.并且，鉛對自然環(huán)境也有很嚴重的污染，因此歐盟在2003年頒布了“EuP” 指令[4]，我國在2006年頒布了《電子信息產(chǎn)品污染控制管理辦法》[5]，開始限制鉛的使用.目前，常用的無鉛焊料是以錫(Sn)基為主，還包括一些應用在特殊領(lǐng)域的金(Au)基、銀(Ag)基以及銦(In)基等無鉛焊料.預成型焊片作為無鉛焊料的一種，因具備定位精確、釬料含量穩(wěn)定、焊接空洞率低和助焊劑殘留少等優(yōu)點，特別適合于高品質(zhì)要求的焊接場合，被廣泛應用于5G通訊、雷達、醫(yī)療、手機、汽車、高通/電車、電纜等行業(yè)的電子封裝領(lǐng)域中.

SAC305預成型焊片由于具有熔點低、潤濕性相對較高和綜合性能優(yōu)良等優(yōu)點[6]，在眾多預成型焊片中脫穎而出.目前我國所需的90%的SAC305預成型焊片均以高價進口，與我國高速發(fā)展集成電路行業(yè)不對稱.全球SAC305預成型焊片核心關(guān)鍵制造技術(shù)基本由美國、日本等掌握，關(guān)鍵材料受制于人，制約著我國精密電子產(chǎn)品的發(fā)展.SAC305預成型焊片主要依賴進口的原因是國內(nèi)SAC305的軋制、沖壓、涂覆等工藝生產(chǎn)工藝尚未成熟，現(xiàn)行的SAC305預成型焊片制備工藝一般為：鑄錠→粗軋制→裁邊→精軋→退火→沖裁，軋制工藝作為SAC305預成型焊片重要的制備工藝，其軋制帶的性能直接影響到預成型焊片的性能.目前國外錫基錫合金的軋制工藝較為成熟，由于技術(shù)保密，沒有相關(guān)文獻，國內(nèi)錫基錫合金的軋制工藝尚未成熟，其中SAC305的軋制工藝尚未有較完整的研究報告[7].本文系統(tǒng)地研究了多道次軋制工序?qū)AC305合金性能的影響，為SAC305預成型焊片的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持.

1 實驗過程

1.1原料和設備

1.1.1 試驗原料

焊錫條是最廣泛的原料，考慮到后續(xù)生產(chǎn)的推廣性，試驗所用原料為SnAg3Cu0.5焊錫條，成分如表1和表2所示.

表1 SnAg3Cu0.5的化學成分(質(zhì)量百分比)

表2 SnAg3Cu0.5的物理參數(shù)

1.1.2 試驗設備

軋機因自身壓力和精度不同，則對來料的厚度和成品厚度要求不同，考慮到原料是16 mm的焊錫條，設計的壓下規(guī)程是0.03 mm，因此采用以下三種型號的軋機開展軋制試驗，設備參數(shù)見表3.

表3 試驗設備

1.1.3 分析檢測設備

分析設備采用無鉛焊料行業(yè)通用的分析設備，具體如下：

金相顯微鏡：采用倒置金相顯微鏡(Axio Vert Al，ZEISS，德國)對樣品微觀組織進行表征；

SEM：采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SU-70，Hitachi，日本)對樣品微觀形貌進行表征；

可焊性測試儀：采用可焊性測試儀(RHESCA-5200TN，力士科，日本)對樣品可焊性進行分析；

微機控制電子萬能試驗機：采用微機控制電子萬能試驗機(CMT5105，濟南美特斯測試技術(shù)有限公司，中國)對樣品的拉伸性能進行表征；

TG/DSC：采用差示掃描量熱儀(NETZSCH DSC 204F1，耐馳儀器，德國)對樣品的熔化溫度進行分析.

1.1.4 SAC305預成型焊片軋制帶要求

為進一步驗證試驗軋制是否達到生產(chǎn)所需，將軋制樣品和生產(chǎn)所需軋制帶進行對比.表4為SAC305預成型焊片軋制帶要求.

表4 SAC305預成型焊片軋制帶要求

1.2 軋制工藝流程

1.2.1 軋制溫度

對工業(yè)金屬，經(jīng)強烈冷變形后最低再結(jié)晶溫度TR(K)約等于其熔點Tm(K)的0.4倍，通過初步計算SAC305的再結(jié)晶溫度約為-71℃，因此，軋制溫度選擇為常溫.

1.2.2 壓下規(guī)程

壓下規(guī)程作為影響SAC305合金軋制過程的重要因素，對SAC305合金的組織變化、變形抗力和塑性均有較大影響[8].壓下規(guī)程過大容易引起應力集中致使板材開裂，過小則會影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[9].目前Al合金板材軋制大多以多道次小壓下的方式進行，即每道次壓下量不超過5%，8～10道次壓下量不超過1%[10].由于應變速率提高會導致SAC305合金塑性下降，SAC305合金帶材的軋制速度相對于其他合金來說較低.因此，設計了從16 mm到0.11 mm的SAC305壓下規(guī)程，總壓下為0.993 125，具體見表5.

表5 SAC305合金軋制壓下規(guī)程

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品實際壓下規(guī)程

表6為樣品的實際壓下規(guī)程，隨著軋制道次的增加，厚度逐漸減少，從表中可以看出，實際壓下規(guī)程接近于設計的壓下規(guī)程，這是由于設備的自身公差和材料彈性變形所導致的，通過表中數(shù)據(jù)可以看出，設計的壓下規(guī)程可應用于工藝生產(chǎn).圖1為不同軋制道次后樣品照片.從圖中可以看出，與原始樣品相比，經(jīng)過軋制的樣品其變形量和鋪展面積均增大，樣品厚度逐漸減小，與表5的分析結(jié)果相一致.

圖1 不同軋制道次軋制后的樣品宏觀照片F(xiàn)ig. 1 Macroscopic photographs of the samples after different rolling passes

表6 SAC305合金實際壓下規(guī)程

2.2 樣品形變程度對組織的影響

圖2為原始SnAgCu釬料縱向截面的顯微組織照片.從圖2可以看出，原始SnAgCu釬料縱向截面的顯微組織主要由淺色的β-Sn相和深色的共晶組織構(gòu)成，其中共晶組織包括Sn-Ag-Cu三元共晶組織和針狀的β-Sn+Ag3Sn以及團狀的β-Sn+Cu6Sn5兩種二元共晶組織，共晶組織所占的體積分數(shù)約為顯微組織的一半，微細結(jié)晶的金屬間化合物(IMC)Ag3Sn呈纖維狀組織形貌，Cu6Sn5呈多邊形彌散分布在釬料顯微組織中.

圖2 原始SnAgCu釬料縱截面顯微組織圖像Fig. 2 SEM image of longitudinal section of original SnAgCu solder

圖3為SAC305合金不同軋制道次后縱向截面的顯微組織照片.由圖3可知，與原始SAC305合金相比，經(jīng)過軋制的SAC305合金樣品初生β-Sn的枝晶尺寸明顯減小.在軋制力的作用下，初生β-Sn相和共晶區(qū)Eutectic(Sn-Cu、Sn-Ag二元共晶區(qū)及Sn-Ag-Cu三元共晶區(qū))沿軋制方向開始變形，逐步形成拉長的β-Sn相和拉長的共晶區(qū)，致使晶粒尺寸減小和組織細化.軋制道次為1(圖3(a))時，金相組織可以明顯觀察到飽滿的β-Sn枝晶和共晶區(qū).軋制道次為2～4(圖4(b～d))時，β-Sn枝晶和共晶區(qū)逐漸被拉長.在5道次(圖3(e))時，β-Sn相和共晶區(qū)相互交替，形成沿軋制方向的纖維狀形貌.晶粒尺寸和組織細化能夠提升合金的潤濕力，有利于合金的焊接穩(wěn)定性.β-Sn枝晶和共晶區(qū)的拉長會降低合金的屈服強度，不利于焊點的可靠性.

圖3 不同軋制道次后的SAC305合金縱截面顯微組織照片(a～j分別表示1～10道次)Fig. 3 Microstructure photos of the longitudinal section of SAC305 alloy after different rolling passes (a～j represent 1～10 passes,respectively)

圖4為SAC305合金軋制4道次后500倍數(shù)下的縱截面顯微組織照片.從圖4 可以明顯看出，β-Sn相組織呈長條狀，其主要原因是SAC305縱向的變形量大于橫向的變形量.

圖4 SAC305合金軋制4道次后縱截面顯微組織照片F(xiàn)ig. 4 Microstructure of the longitudinal section of SAC305 alloy after 4 rolling passes

2.3 樣品SEM分析

圖5為SAC305合金軋制前和軋制10道次的SEM圖.從圖中可以明顯看出，軋制前外觀形貌較為光滑，軋制10道次的外觀形貌較為粗糙.在焊接過程中，外觀形貌光滑能使焊片更大的面積接觸焊件，有利于焊接，但不能提升合金焊接性能參數(shù).

(a)軋制前 (b)軋制10道次 圖5 SAC305合金軋制前和軋制10道次的SEM圖Fig. 5 Microstructure of the longitudinal section of SAC305 alloyafter 10 rolling passes：(a)before rolling;(b)10 rolling passes

2.4 樣品拉伸性能和熔化溫度分析

表7為SAC305合金軋制前和軋制10道次的拉伸性能和熔化溫度對比.從表中可以明顯看出，抗拉強度、屈服強度、延伸率、固相線溫度、液相線溫度、熱膨脹系數(shù)基本沒有變化，產(chǎn)生略微差異的原因是測試儀器的誤差和合金固溶體局部組織不均一.從表中還可以看出，軋制10道次的拉伸性能和熔化溫度以及固相線溫度等參數(shù)，均在SAC305預成型焊片軋制帶的要求范圍內(nèi).

表7 SAC305拉伸性能和熔化溫度

2.5 樣品潤濕性分析

表8為軋制10道次的潤濕性測量結(jié)果.從表中可以看出，潤濕開始時間在0.6～0.93 s，潤濕完成時間在0.32～0.54 s，最大潤濕在3.32～3.52 mN.從結(jié)果上看，軋制到0.09 mm的軋制帶依然具備良好的潤濕性能，其最大潤濕力的平均值達到了3.41 mN，能夠滿足SAC305預成型焊片的生產(chǎn)要求.

表8 SAC305軋制10道次潤濕性Tab.8 The wettability of SAC305 under 10 rolling passes

3 結(jié) 論

本論文系統(tǒng)論述了SAC305的軋制工藝，為SAC305預成型焊片的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持.采用設計的壓下道次對SAC305進行10道次軋制，樣品厚度逐漸減小，樣品的變形量和鋪展面積均增大，樣品最終厚度達到0.09mm，實際壓下規(guī)程接近于設計的壓下規(guī)程；從微觀組織結(jié)構(gòu)看，樣品的β-Sn枝晶和共晶區(qū)的組織演變?yōu)轱枬M狀態(tài)→逐漸壓長→相互交替，進而實現(xiàn)了微觀組織細化，有利于合金的焊接穩(wěn)定性；從樣品的表面形貌上看，軋制10道次的外觀形貌較為粗糙，不利于焊接；從抗拉強度、屈服強度、延伸率、固相線溫度、液相線溫度、熱膨脹系數(shù)看，SAC305合金軋制前和軋制10道次基本沒有變化，達到了SAC305預成型焊片軋制帶要求；從可焊性測試上看，10道次軋制樣品擁有良好的潤濕性，平均最大潤濕力為3.41mN，達到了SAC305預成型焊片軋制帶要求.