一种利用Cu3Sn纳米颗粒提升锡基复合焊料焊点疲劳寿命的方法

本发明涉及一种利用cu3sn纳米颗粒提升锡基复合焊料焊点疲劳寿命的方法，属于电子封装。

背景技术：

1、二元系无铅焊料在高温焊接过程中，表现出良好的焊接性能，已被广泛、普遍的应用，近年来对二元无铅焊料进行了深入广泛的研究。随着技术的进步，电子器件的尺寸不断变小，使得同等大小的元器件中焊点的数量变得越来越多，而尺寸越来越小。这就要求新型焊接材料要具有更好的可靠性。为此，开始在传统的无铅焊料合金中加入纳米颗粒，形成强化相。向sn基体中添加了ag，cu，sb，in或其他合金元素，研究表明，纳米颗粒的存在影响了纳米颗粒与基质之间的微观结构、结合和界面连接，对无铅焊料物理化学性能、微观组织及力学性能等方面都能产生影响，纳米增强颗粒可以抑制界面层的生长、阻碍位错运动、抑制裂纹扩展，使焊点的抗蠕变性能、抗热疲劳性能等得到改善和加强，提高焊点的可靠性。在焊点服役过程中，界面处的微裂纹是导致其失效的主要因素，而界面处微裂纹的产生又与imc层有密不可分的联系。cu3sn纳米颗粒添加可以抑制imc层生长，改善抗热疲劳性能，提高焊点的可靠性。

技术实现思路

1、针对抑制界面imc的生长，提高焊点的可靠性的问题，本发明提出一种利用cu3sn纳米颗粒提升锡基复合焊料焊点疲劳寿命的方法，本发明添加作为金属间化合物的cu3sn纳米颗粒以有效降低imc层的应力，从而降低界面处形成微裂纹的几率，加强焊点的可靠性。

2、一种利用cu3sn纳米颗粒提升锡基复合焊料焊点疲劳寿命的方法，具体步骤如下：

3、(1)将cu3sn纳米颗粒、sn3.0ag0.5cu粉和助焊剂球磨混匀得到cu3sn纳米颗粒增强型锡银铜复合焊膏；

4、(2)将cu3sn纳米颗粒增强型锡银铜复合焊膏涂覆在pcb板上，进行回流焊处理得到回流焊焊点；

5、(3)回流焊焊点进行高温时效处理，冷却至室温；

6、(4)预测回流焊焊点的疲劳寿命。

7、所述步骤(1)cu3sn纳米颗粒的粒径为30～60μm，sn3.0ag0.5cu粉的粒径为20～45μm。

8、以步骤(1)cu3sn纳米颗粒和sn3.0ag0.5cu粉的总质量为100％计，cu3sn纳米颗粒占0.1～0.5％。

9、所述步骤(1)助焊剂为jj400，sn3.0ag0.5cu粉与助焊剂的质量比为3～12:1。

10、所述步骤(1)球磨转速为300～800rpm，球磨时间为1～2h。

11、所述步骤(2)回流焊处理的方法为：在回流焊机中选择回流焊温度曲线，使pcb进入升温区，焊锡膏中的溶剂、气体蒸发掉；pcb进入保温区，使pcb板得到充分的预热；pcb进入焊接区，使焊锡膏达到熔化状态，形成焊点；pcb进入冷却区，使焊点凝固，完成整个回流焊接过程。

12、所述步骤(3)高温时效处理的温度为150～160℃，时间为50～500h。

13、所述步骤(4)回流焊焊点的疲劳寿命的预测方法为：

14、1)将焊点界面进行1:1绘制，得到界面金属间化合物模型；

15、2)利用ansys有限元软件对界面imc模型进行模拟，预测焊点疲劳寿命；具体地，通过solidworks导入不同时效界面imc的金相样品图像，再根据金相图建立模型，并打开工程数据模块，赋予不同部分合适的材料参数；最终，将模型导入workbench平台进行分析，采用高低温循环冲击模拟方法进行焊点界面的强度性能研究；在模拟过程中，采用gb2423.22规定的参数，将模型置于-40℃-150℃的温度循环作用下，热循环一般需要6-7个周期才能达到稳定状态，计算4个周期下的温度循环，得出应力应变曲线进行疲劳分析；为了估算sac305焊料在pcb多器件组装板件上的服役寿命﹐基于shine and fox模型、solomon模型和经过修正的coffin-manson模型，通过等效应变计算焊点的热循环疲劳寿命。

16、本发明cu3sn纳米颗粒提升锡基复合焊料焊点疲劳寿命的原理：提高焊点的强度，cu3sn纳米颗粒可以在焊接界面形成强而稳定的金属间化合物，从而提高焊点的强度。这使得焊点在承受外部应力时具有更好的耐久性和抗疲劳能力。改善焊点的组织结构：cu3sn纳米颗粒可以使焊点的晶粒尺寸更小，形成更均匀的组织结构。这种细小晶粒的组织结构能够有效地阻止位错的移动和扩展，减缓晶格的滑移，从而提高焊点的强度和抗疲劳性能。

17、本发明的有益效果是：

18、(1)本发明添加作为金属间化合物的cu3sn纳米颗粒均匀地引入锡基复合焊料中，可有效降低imc层的应力，从而降低界面处形成微裂纹的几率，改善sac3005与铜的界面结合强度，提升焊点在等温老化过程中的可靠性；

19、(2)本发明cu3sn纳米颗粒增强焊料可以提高焊点的强度和耐疲劳性能。

技术特征：

1.一种利用cu3sn纳米颗粒提升锡基复合焊料焊点疲劳寿命的方法，其特征在于，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述利用cu3sn纳米颗粒提升锡基复合焊料焊点疲劳寿命的方法，其特征在于：步骤(1)cu3sn纳米颗粒的粒径为30～60μm，sn3.0ag0.5cu粉的粒径为20～45μm。

3.根据权利要求1所述利用cu3sn纳米颗粒提升锡基复合焊料焊点疲劳寿命的方法，其特征在于：以步骤(1)cu3sn纳米颗粒和sn3.0ag0.5cu粉的总质量为100％计，cu3sn纳米颗粒占0.1～0.5％。

4.根据权利要求1所述利用cu3sn纳米颗粒提升锡基复合焊料焊点疲劳寿命的方法，其特征在于：步骤(1)助焊剂为jj400，sn3.0ag0.5cu粉与助焊剂的质量比为3～12:1。

5.根据权利要求1所述利用cu3sn纳米颗粒提升锡基复合焊料焊点疲劳寿命的方法，其特征在于：步骤(3)高温时效处理的温度为150～160℃，时间为50～500h。

6.根据权利要求1所述利用cu3sn纳米颗粒提升锡基复合焊料焊点疲劳寿命的方法，其特征在于：步骤(4)回流焊焊点的疲劳寿命的预测方法为：

技术总结
本发明涉及一种利用Cu3Sn纳米颗粒提升锡基复合焊料焊点疲劳寿命的方法，属于电子封装技术领域。本发明将Cu3Sn纳米颗粒、Sn3.0Ag0.5Cu粉和助焊剂球磨混匀得到Cu3Sn纳米颗粒增强型锡银铜复合焊膏；将Cu3Sn纳米颗粒增强型锡银铜复合焊膏涂覆在PCB板上，进行回流焊处理得到回流焊焊点；回流焊焊点进行高温时效处理，冷却至室温；预测回流焊焊点的疲劳寿命。本发明将Cu3Sn纳米颗粒均匀地引入锡基复合焊料中；通过纳米颗粒增强的方式，改善SAC3005与铜的界面结合强度，提升焊点在等温老化过程中的可靠性。

技术研发人员：严继康,王彪,赵建华,赵玲彦,黄海洋,刘江山,李国超,杨娇娇,王震东,李艾珂
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24