如何优化中温无铅锡膏的回流时间？

中温无铅锡膏的熔点介于低温无铅锡膏和高温无铅锡膏之间。对于需要多次回流封装的厂家，中温锡膏的熔点在210多摄氏度左右，能够适用于多次回流中的第一次回流。锡银铜305 (SAC305)无铅锡膏的熔点为217℃，在不极端的条件下比SnPb具有更好的抗热疲劳性能，因此得到了广泛使用。但是SAC锡膏在回流过程会生成金属间化合物并影响焊点机械强度，因此为了保证良好的可靠性，需要对SAC锡膏回流做出优化。

为了找出最合适的回流时间，需要完成一系列的实验。比如Gong等人(2021)使用SAC305锡膏采取不同回流时间对铜片进行焊接后，将焊点机械强度进行对比。并与SnZn9Bi2.5In1.5进行了比较。下表罗列了回流实验的参数。机械强度实验以100μm/s的推力速度在基板上方150μm的高度水平移动，直到铜片剥落。

表1. 回流实验参数。


结论
SAC305无铅锡膏回流焊接会出现持续的Cu6n5生长。随着回流时间(熔点之上)的增加到50s，焊点开始出现Cu3Sn层并且不断的长大，并且后续都出现不同程度的空洞(红色圆圈)。金属间化合物生成的机制主要是金属成分扩散和界面反应。在回流过程中，Cu向焊料的溶解并发生界面反应。由于高生长速率，Cu6Sn5晶粒呈不规则扇形生长。随着回流时间的增加和Cu原子沿晶界扩散，Cu6Sn5晶粒不断生长。Cu6Sn5又会和Cu反应生成Cu3Sn。焊料层中的Ag3Sn对可靠性基本没有影响，反而其微小颗粒能够起到细化晶粒的作用并增强可靠性。

图1. 无铅焊点金属化合物层的变化。回流时间: (a)5s, (b)50s, (c)80s, (d)120s, (e)900s, (f)1800s。

如图2所示，当回流时间(熔点之上)控制在50-120秒的时候，SAC305焊点的剪切强度较高。尽管回流时间为180s的时候剪切强度略有上升，但随着回流时间进一步增加，强度断崖式下跌。因此，SAC305锡膏推荐的回流时间大致在50-120秒左右。SnZn9Bi2.5In1.5锡膏具有比SAC305锡膏更优秀的剪切强度，但是仍未普及使用，仅作为对照组。

图2. 剪切强度对比。

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参考文献
Gong, S.L., Chen, G.Q., Qu, S.T., Ren, A.S., Duk, V., Shi, Q.Y. & Zhang, G. (2021). “Shear strength and fracture analysis of Sn-9Zn-2.5Bi-1.5In and Sn-3.0Ag-0.5Cu pastes with Cu-substrate joints under different reflow times”, Microelectronics Reliability, vol.127.

审核编辑 黄宇