SAC305合金以相對較高的熔點而被認為是無鉛焊料的重要金屬成分。SAC305焊料制備的焊點在受到熱循環和機械應力時能保持良好的狀態，因此在不少行業如汽車和航空行業有著巨大用途。然而焊點會隨著溫度和外力影響而出現可靠性減弱的問題。有研究表明含有Ni，Bi，In和Sb的微合金焊點表現出改善的機械特性，如更高的剪切和拉伸強度，以及老化后的微觀結構穩定性。

實驗設計

老化對焊點的可靠性帶來的影響是顯而易見的。一般在幾個月的老化過程中，焊點的強度會大幅度下降。由于Bi對焊點強度產生影響，因此Belhadi等人(2023)在SAC305焊料中加入了Bi，并觀察SAC焊點在老化和剪切作用下的力學性能演變以確定Bi的作用。對于該實驗，PCB測試板尺寸為30 mm×30 mm，焊盤之間間距為3mm且焊盤是OSP表面處理。通過植球工藝將三種不同的焊料球（SAC305，SAC-3Bi和SAC-6Bi）回流焊接在焊盤上。剪切應變速率為0.008，0.8和8s-1，老化溫度為150℃。

圖1. PCB測試板（左）和回流曲線（右）。

實驗結果

圖2展示了在0.8s-1剪切應變速率下，每種未老化焊料的平均極限剪切強度（USS）和Bi濃度的關系。與SAC305合金相比，SAC-6Bi的極限剪切強度最高。SAC-3Bi和SAC-6Bi的極限剪切強度比SAC305分別增加了122%和127%。剪切強度的增加是由與Ag和Bi的存在產生了固溶硬化和沉淀硬化作用。

圖2. 剪切應變速率0.8s-1時不同焊料的極限剪切強度。

三種焊料合金的極限剪切強度都隨著剪切應變率的增加而增加，其中含Bi的SAC焊料極限剪切強度仍優于普通SAC305。極限剪切強度增加的原因是焊料合金的粘塑性。焊料粘塑性指的是受應變率影響的焊料隨時間變化的塑性變形。在較高的應變率下，焊料的粘塑性特征更加明顯，使得焊點有更多的塑性變形和更高的極限剪切強度。

圖3. 不同剪切應變速率時的焊料極限剪切強度。

老化會對焊點的剪切強度帶來明顯的影響。可以發現當老化時間增加時，含有更多Bi的焊料會出現更大幅度的剪切強度減小。老化100小時后，剪切強度最高的焊料是SAC-6Bi，其次是SAC-3Bi。老化1000h后， SAC305 極限剪切強度下降了 26%。 SAC-Bi 焊料極限剪切強度值退化較高，其中SAC-6Bi 強度下降最明顯，降低了約57%。

圖4.老化后焊料極限剪切強度（剪切應變速率0.8s-1）。

由于Bi在Sn中的溶解度低，當Bi 含量超過在 Sn 基體中的溶解度極限，含有Bi的焊料在老化過程中會出現Bi的沉淀。而Bi的沉淀會造成焊點脆性問題，并使焊點在應變作用下發生脆性斷裂。對于SAC-3Bi焊點， 老化1000小時后，由于Bi在150℃下的溶解度極限增加，部分Bi仍能溶解在固溶體中，焊點脆化程度較低。然而，由于SAC-6Bi焊點含有更多的Bi，老化后焊點脆化程度更高，因此剪切強度明顯下降。

參考文獻

Belhadi, M.E.A., Hamasha, S. & Alahmer, A (2023). Effect of Bi content and aging on solder joint shear properties considering strain rate. Microelectronics Reliability, vol.146.

審核編輯 黃宇