适用于微电子封装的无铅焊锡材料,需具备以下几点特征:
(1)使用的材料在现在和未来都不能对环境产生不良的影响;
(2)所使用的元素在现在和未来都应该有足够的资源;
(3)熔点应该接近传统的 63/37 的铅锡合金,最好在 200℃左右;
(4)热导率和电导率优于或接近传统焊锡;
(5)足够的连接强度和抗热循环疲劳特性;
(6)成本低;
(7)与现有工艺相兼容。
综合性能、价格、资源、环保等各方面的考虑,Sn与Ag及少量的Cu构成的合金,即SAC合金是目前工业界接受程度最高的无铅焊锡材料,而其中较普遍使用的 SAC焊锡是SAC305.即Sn/Ag3/Cu0.5,它是日本电子工业发展协会(JEIDA)推荐的无铅焊锡材料,其特点是:没有大的AgSn析出物;在纯的SAC家族中具有最低熔点和最低成本;微结构比较稳定;没有专利的问题。但 SAC305 浸润性不够好。
完美的无铅焊锡应该具有更低的熔点(200℃以下)、更低的弹性模量(从51GPa降到40GPa)、更好的浸润特性(浸润时间<0.5s)、微结构稳定而无析出相、低屈服强度和低工作硬化速率以提高疲劳特性、与Cu具有低互溶性以防止溶蚀铜布线。
无铅焊锡依然是当前封装领域的主要研发方向之一。从目前的研发趋势来看,未来的无铅焊锡中.Sn仍然会是主体材料。一些研究小组发现通过降低Ao的比例可以降低弹性模量.例SAC105 比 SAC405低11%。通过掺少量的NiCo等元素可以降低Cu的溶解度。如果解决了Bi金属中 Pb杂质污染的问题,则 SnAgCuBi合金颇具吸引力。
另外,纳米
无铅焊锡也是一个有趣的研究方向。发展纳米无铅焊锡的动机是降低熔点、增加强度和减小互连焊点尺寸。多年以来的研究表明,一些金属纳米材料的熔点随颗粒尺寸减小而降低。这一现象也可以在无铅焊锡等合金材料上观测到,如在SAC405 纳米合金
中发现,当晶粒尺寸小于20nm时,其熔点会快速下降。一些实验数据显示添加适量的纳米颗粒后,焊锡材料的强度增强。如在Sn-3.5Ag焊锡中添加CuSn、纳米粉,在Sn-3.0AgSn-1.0Ag焊锡中添加Co、Ni、Pt、Al、P、Cu、Zn、Ge、Ag、In、Sb、Au等纳米颗粒均有一定的增加强度的效果。但是由于纳米焊锡材料的比表面大大增加,增加了表面氧化层的比例,所以在焊接过程中需要采取更有力的去除氧化层的措施,如使用特殊的助焊剂等。随着近年来纳米材料的合成及性能控制技术的深入发展,通过对材料和工艺的进一步改进,纳米无铅焊锡将展现出它的巨大潜力。
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