SAC305作為一種應用廣泛的無鉛焊料，有著優秀的機械強度，導電性和導熱性。銅基板是最常見的基板材料之一，因此SAC305類型的焊料在銅基板上的焊接效果備受關注。對于無鉛焊點而言，焊料和基板之間的界面反應和IMC演變是影響焊接可靠性的關鍵因素。通常SAC305錫膏在加熱時會與Cu基板反應會生成Cu6Sn5 IMC。為了達到良好的焊點性能，可以對Cu基板進行一些工藝處理從而控制IMC生長。本文會討論SAC305在不同Cu基板上的焊接效果。

實驗過程
Li等人選擇了兩種Cu基板處理方式，包括將Cu基板放置于氣氛保護下進行1000°C加熱處理(H-Cu)和將Cu基板表面覆上石墨烯(G-Cu)。隨后他們將SAC305和SAC305-0.3Ni熔化成直徑1.6mm焊料球。最后260°C加熱60s將SAC305、SAC305-0.3 Ni焊料球焊接到Cu，H-Cu和G-Cu基板上。

實驗結果
IMC結構
對于Cu，H-Cu和G-Cu基板，Cu6Sn5都是主要的IMC生長類型。H-Cu基板上的Cu6Sn5層比單純Cu基板上的Cu6Sn5層更厚且更光滑。這是因為經過高溫處理后，Cu基板的結構由多晶結構轉變為單晶結構。單晶結構會影響Cu6Sn5層的粗糙度。另外，G-Cu基板上的Cu6Sn5焊料層的厚度低于另外兩個基板。G-Cu襯底上石墨烯涂層的不僅能減緩金屬表面的氧化，還能一定程度抑制原子擴散。

圖1. SAC305和Cu基板的界面IMC。(a)Cu基板；(b)H-Cu基板；(c)G-Cu基板。

在SAC305中添加0.3wt%的Ni后，界面IMC從Cu6Sn5轉變為(Cu，Ni)6Sn5。Cu基板上的(Cu，Ni)6Sn5層的厚度要大于圖1(a) Cu6Sn5的厚度。H-Cu上的(Cu，Ni)6Sn5層厚度比在Cu基板上更薄。此外，G-Cu基板上的IMC層要比另外兩個基板上的IMC要薄。總體而言，SAC305-0.3Ni會比SAC305形成更加多的IMC。

圖2. SAC305-0.3Ni和Cu基板的界面IMC。(a)Cu基板；(b)H-Cu基板；(c)G-Cu基板

焊料層硬度
SAC305焊料在Cu基板上的平均硬度最高，其次是H-Cu和G-Cu基板。與Cu和H-Cu基板上SAC305共晶焊料塊的微觀結構相比，SAC305共熔焊料塊在G-Cu基板上會形成更多的β-Sn和更低的共晶相濃度。由于β-Sn硬度較低，G-Cu基板上SAC305焊料塊的硬度最低。此外，由于Ni添加物細化晶粒和抑制共晶相的作用，SAC305-0.3Ni焊料的硬度比普通SAC305更低。

圖3. SAC305和SAC305-0.3Ni焊料硬度。

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參考文獻
Li, S.L., Liu, Y., Zhang, H., Cai, H., Sun, F.L. & Zhang, G.Q. (2018). “Microstructure and hardness of SAC305 and SAC305-0.3Ni solder on Cu, high temperature treated Cu, and graphene-coated Cu substrates”. Results in Physics, vol.11.

審核編輯 黃宇