超聲波處理對(duì)SAC305焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)的影響-深圳福英達(dá)
超聲波處理對(duì)SAC305焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)的影響-深圳福英達(dá)
在焊接過(guò)程中施加超聲波是一種新穎的輔助方式。通過(guò)分析焊接后的焊點(diǎn)形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)用超聲波輔助能改變焊點(diǎn)界面金屬間化合物（IMC）層的形態(tài)，而IMC的變化會(huì)對(duì)焊點(diǎn)機(jī)械性能帶來(lái)不同影響。
1.1 材料
Hu等人的實(shí)驗(yàn)用到了10mm×50mm×2mm的純銅片和10mm×10 mm×2mm的純銅片。樣品被放入鋼制模具中，并使用超聲波探頭對(duì)樣品進(jìn)行超聲波處理。為了確保超聲波能量傳播到焊料中的時(shí)間是恒定的，每個(gè)樣品的超聲波探頭和焊料之間的距離都是相同的，因此將超聲波探頭固定在模具定位槽的上方。
圖1. 超聲處理樣品。
1.2 焊接過(guò)程
Hu等人將SAC305錫膏均勻印刷在銅片表面并將組裝好的樣品放于加熱臺(tái)上。加熱臺(tái)以25℃/min升溫速率加熱至290℃，然后進(jìn)行超聲波處理。樣品在290℃溫度下回流10分鐘，并在回流過(guò)程末期時(shí)對(duì)樣品施加350W和20kHz的超聲處理。
從圖2可以看到，Cu6Sn5的形狀不規(guī)則，多數(shù)為粗糙的扇貝狀。當(dāng)超聲處理時(shí)間較短時(shí)，Cu6Sn5的厚度會(huì)出現(xiàn)一個(gè)下降趨勢(shì)。但總體而言Cu6Sn5的結(jié)構(gòu)與不經(jīng)過(guò)超聲處理的焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)基本相似。不同是的，由于聲流效應(yīng)加速了Cu原子的擴(kuò)散，在接受更長(zhǎng)超聲處理時(shí)間的樣品中，游離的Cu原子會(huì)富集在Cu6Sn5層的表面。Cu原子會(huì)與焊料的Sn原子反應(yīng)，導(dǎo)致Cu6Sn5層厚度增加且更具連續(xù)性。
圖2. 不同超聲處理時(shí)間的焊點(diǎn)微觀結(jié)構(gòu)。(a)0s; (b)1s; (c)5s; (d)10s; (e)15s; (f)30s。
當(dāng)樣品經(jīng)過(guò)1s超聲處理后，焊點(diǎn)最大剪切強(qiáng)度略有提高到49.2Mpa。與未經(jīng)超聲處理的焊點(diǎn)相比，當(dāng)超聲時(shí)間增加到5s時(shí)，焊點(diǎn)的最大剪切強(qiáng)度增加了20%。然而當(dāng)進(jìn)一步增加超聲時(shí)間時(shí)，焊點(diǎn)強(qiáng)度反而大幅度下降。剪切強(qiáng)度的變化可以通過(guò)觀察焊點(diǎn)斷裂模式來(lái)了解。未經(jīng)超聲處理的焊點(diǎn)在基板附近出現(xiàn)了斷裂行為。然而，隨著超聲時(shí)間的逐漸增加，在焊料和IMC層之間發(fā)現(xiàn)了斷裂行為，表明IMC層和基板之間的結(jié)合力有所提高。但是進(jìn)一步加長(zhǎng)超聲時(shí)間反而使得焊點(diǎn)斷裂再次發(fā)生在基板附近。
圖3. 不同超聲處理時(shí)間的焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度。
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Hu, X.W., Xu, H., Chen, W.J. & Jiang, X.X. (2021). Effects of ultrasonic treatment on mechanical properties and microstructure evolution of the Cu/SAC305 solder joints. Journal of Manufacturing Processes, vol.64, pp.648-654.
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