基于田口法的Sn－Cu－Ni－x Eu無鉛釬料潤(rùn)濕性研究

張 亮，孫 磊，郭永環(huán)，何成文

(1.江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州221116;2.加州大學(xué)洛杉磯分校材料科學(xué)與工程系，美國(guó)洛杉磯CA 90095)

因?yàn)镻b的毒性［1］，傳統(tǒng)的Sn－Pb釬料逐漸被剔出工業(yè)界，取而代之的是無鉛釬料.目前Sn－Cu，Sn－Ag－Cu，Sn－Zn和Sn－Ag 4種釬料被諸多研究者廣為推薦［2］，其中Sn－Cu系無鉛釬料因成本較低成為無鉛波峰焊中的主要互連材料［3］，但是該系釬料的潤(rùn)濕性較低也成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn).為進(jìn)一步提高Sn－Cu系釬料的潤(rùn)濕性，諸多研究者提出采取合金化的方法.在Sn－Cu中添加微量Ni元素，釬料的流動(dòng)性和抗氧化得到顯著提高，同時(shí)可以避免“橋連”現(xiàn)象的產(chǎn)生，在Sn－Cu－Ni基礎(chǔ)上添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%～0.05%的Ce，釬料的潤(rùn)濕時(shí)間縮短20%～40%［4］.稀土元素Nd也可以顯著改善Sn－Cu－Ni釬料的潤(rùn)濕性，當(dāng)稀土元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%時(shí)，潤(rùn)濕時(shí)間降低近20%［5］.稀土元素被稱為金屬材料的“維他命”，即通過添加微量的稀土元素，金屬材料的性能會(huì)得到顯著的提高.由于稀土元素原子半徑大，在金屬材料合金化中，會(huì)起到良好的改性作用.因此通過添加微量稀土元素實(shí)現(xiàn)金屬材料合金化成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)無鉛釬料改性的常規(guī)方法.在這一領(lǐng)域比較有代表性的單位為亞利桑那州立大學(xué)、喬治亞理工學(xué)院、臺(tái)灣大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)和南京航空航天大學(xué).釬料合金化可以在一定程度上提高釬料的潤(rùn)濕性，但是合金化無疑提高了釬料的成本.影響釬料潤(rùn)濕性的因素除了釬料本身組份以外，還主要有釬劑、基板和氛圍.已有研究表明在Sn－Ag－Cu系釬料中，釬劑的影響較為顯著，選擇合適的釬劑可以顯著改善釬料的潤(rùn)濕性［6］.釬料潤(rùn)濕性的4個(gè)主要影響因素中，其影響程度大小需要進(jìn)行探討和排序，所得結(jié)果可以為電子器件的焊接工藝提供數(shù)據(jù)支撐.

文中擬采用田口法研究釬料組份、釬劑、基板和氛圍對(duì)Sn－Cu－Ni－x Eu釬料潤(rùn)濕性的影響，探討4個(gè)影響因素對(duì)潤(rùn)濕性影響的劇烈程度，同時(shí)分析稀土元素的影響機(jī)制.

1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

在本研究中，首先冶煉不同成分的 Sn－Eu，Sn－Cu和Sn－Ni中間合金，然后將其混合純Sn制備Sn－Cu－Ni，Sn－Cu－Ni－0.04Eu和Sn－Cu－Ni－0.10Eu 3種釬料.為防止在冶煉過程(550℃± 10℃)中氧化，選擇納米CeO2顆粒覆蓋在釬料表面.最后，將其制備成絲狀以備焊接之用.

選擇0.2 g釬料在4 mm×4 mm×1 mm基板(Cu，SnBi/Cu和Au/Ni/Cu)表面進(jìn)行250℃加熱潤(rùn)濕;輔助釬劑有R，RM和RMA;加熱氛圍分別為空氣、氮?dú)夂驼婵?每個(gè)類型的潤(rùn)濕測(cè)試5個(gè)樣品，對(duì)樣品采用 Image軟件計(jì)算樣品表面釬料的潤(rùn)濕面積.

2 結(jié)果與分析

田口法(Taguchimethod)是一種低成本、高效益的質(zhì)量工程方法，通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量提高，田口法的核心分析工具是正交表和信噪比［7－9］.可以通過對(duì)多個(gè)參數(shù)的分析，優(yōu)化參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)參數(shù)之間的最優(yōu)匹配.具體方程如式(1)所示:

式中:r為測(cè)量的次數(shù);yi為第i次測(cè)量的數(shù)據(jù);S/N為信噪比，dB.

在釬料潤(rùn)濕性測(cè)試中，每一類型的組合測(cè)試樣品5個(gè)，因此r=5，根據(jù)“越小越好”的原則，選擇y=1/s，因此

方程(1)可以表示為

研究中主要考慮釬料組份、釬劑、基板和氛圍4個(gè)影響潤(rùn)濕性的因素，具體陣列表格如表1所示.

表1 控制因子和水平

釬料組份主要是采用Sn－Cu－Ni－x Eu系列釬料，通過對(duì)釬料的潤(rùn)濕性分析可以確定稀土元素的添加對(duì)釬料潤(rùn)濕性的影響.另外，電子工業(yè)中含稀土無鉛釬料的研究成為一個(gè)重要的研究課題，但是稀土元素的影響是否是眾多影響因素中影響程度最大的因素，這仍值得商榷，因此選擇含稀土無鉛釬料和釬劑、基板和氛圍進(jìn)行對(duì)比，確定潤(rùn)濕性的影響因素之間的排列順序，可以為無鉛釬料潤(rùn)濕性的研究提供理論參考.

采用正交表L9(34)準(zhǔn)備試驗(yàn)，具體配置陣列如表2所示，該方案僅需9次試驗(yàn)即可得到試驗(yàn)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)4個(gè)因素的綜合分析.相比較全因子試驗(yàn)需要81次，田口法的工作量明顯較少.通過對(duì)潤(rùn)濕面積的倒數(shù)進(jìn)行計(jì)算，代入公式(2)，可以得到表2中的信噪比S/N.最終計(jì)算結(jié)果的平均值為38.55 dB.

表2 主要試驗(yàn)

圖1和表3為不同組合S/N數(shù)據(jù).由數(shù)據(jù)可以看出，4個(gè)因素對(duì)釬料潤(rùn)濕性的影響從大到小依次為Factor B(釬劑)，F(xiàn)actor D(氛圍)，F(xiàn)actor A(釬料組份)，F(xiàn)actor C(基板).釬劑是4個(gè)因素中對(duì)潤(rùn)濕性影響最為顯著的因素，進(jìn)一步說明釬劑對(duì)釬料的潤(rùn)濕性起到顯著的改善作用.同時(shí)也印證了張啟運(yùn)［10］提出的改善釬料潤(rùn)濕性不能僅僅從釬料組份做起，而應(yīng)該通過選擇匹配的釬劑進(jìn)行促進(jìn)潤(rùn)濕性.通過對(duì)圖1進(jìn)行分析，可以得到提高釬料潤(rùn)濕性的最佳組合為A2B3C3D3，即Sn－Cu－Ni－0.04Eu釬料、RMA釬劑、Au/Ni/Cu基板和真空氛圍.

圖1 信噪比平均效應(yīng)

表3 信噪比效應(yīng)和排列

另外，通過表3數(shù)據(jù)可以看出，其他條件相同的條件下，Sn－Cu－Ni，Sn－Cu－Ni－0.04Eu和Sn－Cu－Ni－0.10Eu 3種釬料的潤(rùn)濕性顯著不同，Sn－ Cu－Ni－0.04Eu對(duì)應(yīng)的S/N數(shù)值最大，說明Sn－Cu－Ni－0.04Eu對(duì)應(yīng)的潤(rùn)濕性最好，從而說明稀土元素Eu可以顯著提高釬料的潤(rùn)濕性.這主要?dú)w因于微量的稀土元素與Sn反應(yīng)，易于生成微小的稀土相顆粒，影響熔融釬料的三相平衡［11］，從而提升釬料的潤(rùn)濕性.Sn－Cu－Ni－0.10Eu相對(duì)Sn－Cu－Ni－0.04Eu潤(rùn)濕性較低，但是仍高于Sn－Cu－Ni，主要是因?yàn)橄⊥猎靥砑舆^量時(shí)，由于稀土元素極易氧化，在熔融釬料表面形成氧化渣，阻礙了釬料的潤(rùn)濕性.

3 結(jié)論

采用田口法研究釬料組份、釬劑、基板和氛圍4個(gè)因素對(duì)釬料潤(rùn)濕性的影響，從大到小依次為Factor B(釬劑)，F(xiàn)actor D(氛圍)，F(xiàn)actor A(釬料組份)，F(xiàn)actor C(基板).釬劑對(duì)釬料的影響最大，另外稀土元素Eu的添加可以顯著提高釬料的潤(rùn)濕性.

References)

［1］ 張 亮，Tu K N，孫 磊，等.納米－微米顆粒增強(qiáng)復(fù)合釬料研究最新進(jìn)展［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2015，46(1):49－65.

Zhang Liang，Tu K N，Sun Lei，etal.Reviews on latest advances in micro/nano-sized particles enhanced composite solders［J］.Journal of Central South University: Science and Technology，2015，46(1):49－65.(in Chinese)

［2］ Zhang L，Xue S B，Gao L L，et al.Effects of rare earths on properties and microstructures of lead-free solder alloys［J］.Journal of Materials Science:Materials in Electronics，2009，20(8):685－694.

［3］ 史益平，薛松柏，王儉辛，等.Sn－Cu系無鉛釬料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.焊接，2007(4):14－18.

Shi Yiping，Xue Songbai，Wang Jianxin，et al.Research status and development of Sn－Cu based solder［J］.Welding＆Joining，2007(4):14－18.(in Chinese)

［4］ 王儉辛.稀土Ce對(duì)Sn－Ag－Cu和Sn－Cu－Ni釬料性能及焊點(diǎn)可靠性影響的研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，2009.

［5］ Zeng G，Xue S B，Gao L L，et al.Interfacialmicrostructure and properties of Sn－0.7Cu－0.05Ni/Cu solder joint with rare earth Nd addition［J］.Journal of Alloys and Compounds，2011，509(25):7152－7161.

［6］ Cheng F J，Gao F，Zhang JY，et al.Tensile properties and wettability of SAC0307 and SAC105 low Ag lead-free solder alloys［J］.Journal ofMaterials Science，2011，46 (10):3424－3429.

［7］ Li M H C，Hong S M.Optimal parameter design for chip-on-film technology using the Taguchimethod［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2005，25(1/2):145－153.

［8］ Jong W R，Tsai H C，Chang H T，et al.The effects of temperature cyclic loading on lead-free solder joints of wafer level chip scale package by Taguchimethod［J］.Journal of Electronic Packaging，2008，130(1): 011001.

［9］ 戴 瑋，薛松柏，張 亮，等.基于田口法的PBGA器件焊點(diǎn)可靠性分析［J］.焊接學(xué)報(bào)，2009，30(11):81－84.

DaiWei，Xue Songbai，Zhang Liang，et al.Reliability analysis of PBGA soldered joints based on Taguchimethod［J］.Transactions of the China Welding Institution，2009，30(11):81－84.(in Chinese)

［10］ 張啟運(yùn).無鉛釬焊的困惑、出路和前景［J］.焊接，2007(2):6－10.

Zhang Qiyun.A puzzle in lead free soldering，its outlet and application prospect［J］.Welding＆Joining，2007 (2):6－10.(in Chinese)

［11］ Zhang L，F(xiàn)an X Y，Guo Y H，et al.Properties enhancement of SnAgCu solders containing rare earth Yb［J］.Materials＆Design，2014，57:646－651.