超声波处理对SAC305焊点结构的影响-深圳福英达
超声波处理对SAC305焊点结构的影响-深圳福英达
在焊接过程中施加超声波是一种新颖的辅助方式。通过分析焊接后的焊点形态，可以发现应用超声波辅助能改变焊点界面金属间化合物（IMC）层的形态，而IMC的变化会对焊点机械性能带来不同影响。
1.1 材料
Hu等人的实验用到了10mm×50mm×2mm的纯铜片和10mm×10 mm×2mm的纯铜片。样品被放入钢制模具中，并使用超声波探头对样品进行超声波处理。为了确保超声波能量传播到焊料中的时间是恒定的，每个样品的超声波探头和焊料之间的距离都是相同的，因此将超声波探头固定在模具定位槽的上方。
图1. 超声处理样品。
1.2 焊接过程
Hu等人将SAC305锡膏均匀印刷在铜片表面并将组装好的样品放于加热台上。加热台以25℃/min升温速率加热至290℃，然后进行超声波处理。样品在290℃温度下回流10分钟，并在回流过程末期时对样品施加350W和20kHz的超声处理。
从图2可以看到，Cu6Sn5的形状不规则，多数为粗糙的扇贝状。当超声处理时间较短时，Cu6Sn5的厚度会出现一个下降趋势。但总体而言Cu6Sn5的结构与不经过超声处理的焊点结构基本相似。不同是的，由于声流效应加速了Cu原子的扩散，在接受更长超声处理时间的样品中，游离的Cu原子会富集在Cu6Sn5层的表面。Cu原子会与焊料的Sn原子反应，导致Cu6Sn5层厚度增加且更具连续性。
图2. 不同超声处理时间的焊点微观结构。(a)0s; (b)1s; (c)5s; (d)10s; (e)15s; (f)30s。
当样品经过1s超声处理后，焊点最大剪切强度略有提高到49.2Mpa。与未经超声处理的焊点相比，当超声时间增加到5s时，焊点的最大剪切强度增加了20%。然而当进一步增加超声时间时，焊点强度反而大幅度下降。剪切强度的变化可以通过观察焊点断裂模式来了解。未经超声处理的焊点在基板附近出现了断裂行为。然而，随着超声时间的逐渐增加，在焊料和IMC层之间发现了断裂行为，表明IMC层和基板之间的结合力有所提高。但是进一步加长超声时间反而使得焊点断裂再次发生在基板附近。
图3. 不同超声处理时间的焊点剪切强度。
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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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