高温高湿条件下Sn-Ag-Cu系无铅焊点腐蚀失效机制研究

Sn-Ag-Cu(SAC)lead-free solder alloys are considered as an alternative to Pb-containing solders, and they have been widely applied in the commercial microelectronic industry. In service, the reliability of solder joints is a key issue for the normal operation of electronic equipment. The electronic equipment requires a better environmental adaptability in corrosive environments, such as South China Sea with high-temperature and high-humidity atmosphere and large waves. The main contents of the project include three aspects: 1. Investigate the microstructures of SAC305 solder joint, and the Volta potentials of Ag3Sn、Cu6Sn5 phases are measured by scanning Kelvin probe force microscopy (SKPFM). The effects of microstructure of solder joint on local corrosion are discussed. 2. Under high-temperature and high-humidity condition, the corrosion of solder joint and the galvanic corrosion of solder joint/pad couple and solder joint/lead couple are in-situ observed by SKPFM. The electrochemical corrosion mechanism of solder joint is discussed. 3. The corrosion fracture behavior of SAC305 solder joint under combination of corrosion and mechanically applied stress was in-situ studied using environmental scanning electron microscopy equipped with the three-point bending stage. The failure mechanism of SAC305 lead-free solder joint under condition of the combination of corrosion and stress is discussed. The project is important to elucidate the interaction mechanism of service environment and SAC305 solder joint, and it is the foundation for the reliability evaluation of electronic products in actual service environment.

Sn-Ag-Cu(SAC)系无铅焊料作为传统Sn-Pb焊料的最佳替代品已被广泛应用于电子工业。焊点的可靠性保证电子设备的正常运转，南海环境高温高湿、风浪较大，对电子设备的环境适应性提出了更高的要求。本项目从以下三方面展开研究：1.对SAC305焊点进行微观表征，采用扫描开尔文探针显微镜(SKPFM)测试焊点金属间化合物Ag3Sn、Cu6Sn5的Volta电位，探讨微观结构对焊点微区腐蚀的影响。2.高温高湿条件下，采用SKPFM原位测试薄液膜下焊点腐蚀的发展，焊点/焊盘、焊点/引脚的电偶腐蚀，探讨焊点在高温高湿条件下的电化学腐蚀机理。3.通过环境扫描电镜和其配备的三点弯曲实验台，原位观察SAC305焊点在腐蚀与力学共同作用下的腐蚀开裂行为，探讨其在力学化学共同作用下的失效机制。本项目对阐明SAC305焊点在海洋环境的腐蚀失效机制有重要意义，为提高电子产品在海洋环境中的可靠性奠定基础。

随着海洋资源的不断开发和Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305)无铅焊料在电子器件中应用的不断增多，SAC305的腐蚀行为直接决定了电子器件的工作效率与使用寿命。已有的研究主要集中在热处理条件对SAC305组织的影响，很少关注其腐蚀行为，尤其是其在高湿热海洋大气环境中的腐蚀行为；此外，由于共晶相Ag3Sn和Cu6Sn5金属间化合物在焊料中分布不均匀，引起的电偶腐蚀作用也不一致。鉴于此，本项目首次采用梳子齿电极，通过实时的电化学阻抗谱测量，研究了SAC305在NaCl液膜中的电偶腐蚀演化特征，并配合扫描电镜（SEM）、激光拉曼（Raman）、X射线衍射（XRD）及电子探针（EPMA）等手段探讨了SAC305在不同条件下的腐蚀机理；同时探讨了环境温度及NaCl浓度对其腐蚀演化特征的影响。结果表明，SAC305在NaCl液膜覆盖下的腐蚀过程包括四个阶段：（I）焊料表面SnO2钝化薄膜的短时间内腐蚀失效；（II）焊料基体阳极溶解下来的Sn2+在Cl-作用下经过水解作用形成含Sn(II)的羟基氯化物；（III）含Sn(II)的羟基氯化物释放Cl-后形成Sn3O2(OH)2；（IV）Sn3O2(OH)2经过脱水和氧化后形成SnO2的纳米颗粒。此外，研究表明梳子齿电极是研究焊料腐蚀演化行为很好的一种试验手段。金属间化合物Ag3Sn与β-Sn基体之间的电偶作用随腐蚀过程的进行一直存在，是SAC305腐蚀加速的主要原因，由于腐蚀产物疏松多孔，不能对基体起到腐蚀保护作用。此外，腐蚀产物生成过程中产生的应力和可能存在的析氢反应是造成锈层疏松的主要原因。最后，较高的NaCl浓度和环境温度可以加速焊料的腐蚀，并促进锈层中非晶态/纳米晶态SnO2腐蚀产物的形成。这些研究结论很好的证明了SAC305焊料在腐蚀过程中的电偶腐蚀加速现象，并阐明了电偶加速腐蚀演化的机理。为延长SAC305焊料服役寿命和电子器件的长期安全稳定运行提供了指导。