玻璃粉对片式电阻面电极耐焊性的影响

玻璃粉对片式电阻面电极耐焊性的影响赵科良;梅元;徐小艳;党莉萍;陆冬梅【摘要】The effects of two kinds of frits, Ca-Si-Al-B and Bi-Si-Al-B on resistivity of chip resistor surface electrode (C1) were studied before and after dealing with soldering. The results show that C1 products have good electrical property and excellent solder-resistance property when mass fraction of Ca-Si-Al-B glass powder is 4%-6%. The analyses of the SEM and EDS declare that the silver layer of the C1 is well-stacked and continuous, which contains Ca-Si-Al-B glass powder after solder-resistance. This is mainly due to the silver being cordoned off by the calcium feldspar needle structure during the Ca-Si-Al-B glass powder sintering and the larger surface tension of the solder.%研究了Ca-Si-Al-B和Bi-Si-Al-B两种不同玻璃粉对片式电阻面电极(C1)耐焊处理前后电阻率的影响.结果表明,当Ca-Si-Al-B玻璃质量分数为4%~6%时,C1产品具有良好的电性能以及优异的耐焊特性.SEM和EDS分析表明含有Ca-Si-Al-B玻璃的C1经耐焊处理后导体层保留有较厚且连续的银层,这主要是由于Ca-Si-Al-B玻璃粉在烧结时形成的钙长石针状结构对银的"封锁"和与钎料较大的表面张力造成.【期刊名称】《电子元件与材料》【年(卷),期】2017(036)010【总页数】5页(P37-40,45)【关键词】银浆;片式电阻;面电极;耐焊性;玻璃粉;无铅钎料【作者】赵科良;梅元;徐小艳;党莉萍;陆冬梅【作者单位】西安宏星电子浆料科技有限责任公司,陕西西安 710065;西安宏星电子浆料科技有限责任公司,陕西西安 710065;西安宏星电子浆料科技有限责任公司,陕西西安 710065;西安宏星电子浆料科技有限责任公司,陕西西安 710065;西安宏星电子浆料科技有限责任公司,陕西西安 710065【正文语种】中文【中图分类】TQ174近年来，片式元件是电子元件发展的主流和方向，其中片式电阻器技术已进入到一个迅速升级换代的时期，全球片式电阻器的年需求量已经超过了1万亿只[1-2]。

就片式电阻器的发展方向来讲，主要有超小型化、绿色环保化、高精度化、低温度系数化以及贱金属化[3]。

片式电阻器通过丝网印刷面电极、电阻、背电极浆料以及保护浆料，经高温烧结制作而成。

其在使用过程中需要进行焊接，焊接时无铅钎料对片式电阻面电极（简称C1）存在侵蚀，降低面电极银层的性能，更为严重者导致片式电阻产品断路[4-10]。

传统面电极浆料中均含有钯，因钯元素对面电极抵抗钎料侵蚀有良好的保护作用。

但随着行业发展低成本要求，各大厂商提出了产品无钯化的需求。

为此，各浆料厂商纷纷展开对无钯耐焊型面电极浆料研究。

国内对无钯耐焊型面电极浆料研究较少，为适应片式电阻器低成本高可靠性的发展要求，本文研究了片式电阻器面电极浆料粘结剂性能，制备了无钯耐焊型片式电阻器用面电极浆料，该浆料具有优异的抗钎料侵蚀特性，可较好满足片式电阻器行业的低成本高性能要求。

1.1 原材料及设备银粉（平均粒径0.5 μm）纯度为99.8%、Ca-Si-Al-B系玻璃粉末(平均粒径3 μm，简称F-Ca)、Bi-Si-Al-B系玻璃粉末(平均粒径3 μm，简称F-Bi)均为自制，乙基纤维素、松油醇均为分析纯，纯度96%的Al2O3陶瓷基板、无铅钎料（“96.5Sn3.0Ag0.5Cu”）、助焊剂（主成分松香，中性体系）。

捷克TESCAN VEGA 3LMH扫描电子显微镜；牛津INCA x-cat 51-ADD0007能谱仪；马尔文HYDRO2000MU激光粒度分析仪；贝士德仪器科技3H-2000BET-A比表面积分析仪；SURFCON 480B表面粗糙测试仪；Agilent 34410A电阻率测试仪。

1.2 样品制备与测试方法按一定质量比例称取银粉、玻璃粉以及乙基纤维素和松油醇的混合物，搅拌均匀，经三辊轧机轧制成浆料，细度控制在10 μm以下。

浆料通过丝网印刷在Al2O3陶瓷基板上形成100方（1方为长和宽为1 cm的正方形）的电极，经烘干，850 ℃烧结10 min形成待测电极。

采用电阻率测试仪测试电极阻值，计算方阻（方阻=阻值/方数）。

耐焊处理：将电极浸蘸一定的助焊剂，浸于260 ℃的无铅钎料槽中，停留10 s取出，清洗后测其阻值并计算方阻。

1.3 钎料侵蚀原理片式电阻产品在电镀镍、电镀锡时，由于包封层导电性差，在电镀层和包封层之间存在间隙，使产品在后期电路焊接过程中，钎料沿缝隙玻璃进入C1层如图1所示，对C1层形成侵蚀，甚至断路。

由图1可以看出，随着侵蚀程度的增加，C1层持续被破坏，直至断路。

2.1 玻璃质量分数对C1电性能的影响目前由于片式电阻行业降成本要求，在满足电性能即较低的方阻（5~10 mΩ/□，7 μm）的同时，无钯化及贵金属含量降低已成为研究的主流。

为此，研究了两种体系玻璃粉添加量对C1方阻性能的影响，结果如图2所示。

由图2可以看出C1银浆均随着玻璃粉质量分数的增加，C1的方阻呈增大趋势。

当玻璃粉质量分数超过6%时方阻增大至20 mΩ/□左右，这主要是由于当玻璃质量分数增加，在烧结过程中玻璃粉阻断了银的连续性引起阻值增大。

当玻璃粉质量分数超过14%时，方阻呈明显的增大趋势，这主要是玻璃粉在烧结过程中由于质量分数较高，上浮于银层之上，造成阻值明显增大。

因此，C1浆料中玻璃粉的质量分数≤6%时具有优良的电性能。

2.2 玻璃质量分数对C1耐焊性的影响图3为玻璃粉质量分数对C1耐焊处理后方阻的影响。

由图3可以看出，当含有F-Ca玻璃的C1银浆，其质量分数≥4%时其耐焊处理后方阻约为10 mΩ/□。

当含有F-Bi玻璃的C1银浆，其质量分数≥8%时其耐焊处理后方阻约为10 mΩ/□。

结合图2和图3可以看出，采用质量分数为4%~6%的F-Ca玻璃粉C1浆料具有良好的电性能和优良的耐焊性能。

2.3 C1耐焊处理后电性能分析依照1.2所述方法，采用表1配方制备样品，经烧结形成电极。

采用1.2所述方法进行样品耐焊性评测，结果如表2和表3所示。

由表2表3耐焊处理结果可以看出含钙系玻璃C1样品经钎料侵蚀后，阻值增大幅度小于含有Bi 系玻璃C1样品，说明钙系玻璃在面电极受到钎料侵蚀时，能对面电极起到保护作用。

而铋系面电极耐焊处理后测试第一次时，有部分出现了断路的现象，第二次以后全部断路，说明其表面银层被钎料侵蚀，出现了不连续的现象。

这可能是由于Ca-Si-Al-B玻璃粉[11]在烧结时能够形成具有针状结构的钙长石(CaA12Si4O8)类化合物[12-17]，能够形成“钙长石-Ag-钙长石”的交替网络结构，将银牢牢封锁在网络内部。

当进行钎料侵蚀时，表面银与锡形成银锡合金，银层被部分侵蚀，内部银层被钙长石的针状网络结构牢牢“封锁”，露出的钙长石化合物具有较大的表面张力，钎料不能被较好地浸润，如图4(a)所示，从而对银层具有较好的保护作用。

相反，Bi-Si-Al-B玻璃粉[18]在烧结时不能形成“封锁”银层的结构体，在与钎料接触时能与其较好地浸润，如图4(b)所示，因而容易被钎料侵蚀，造成耐焊性较差。

2.4 不同玻璃粉C1 SEM以及EDS分析分别对含有F-Ca和F-Bi玻璃粉的C1烧结膜层断面进行耐焊前后的SEM和EDS 分析，结果如图5、图6所示。

由图5（a1）、（a2）和图6（a1）、（a2）可以看出含有F-Ca玻璃的C1经耐焊3次试验后，仍有银层。

而含有F-Bi玻璃的C1几乎没有银层残留，如图5（b1）、（b2）和图6（b1）、（b2）所示。

这进一步说明含有Ca-Si-Al-B玻璃的C1具有较好的抗钎料侵蚀性能。

由Sn-Ag形成合金相图[19]可知Sn-Ag的共晶成分为Sn-3.5Ag，熔点为221 ℃，Sn中几乎不能固溶Ag，所形成的共晶合金组织是由不含Ag的纯β-Sn和微细的Ag3Sn相组成的二元共晶组织，除了有微细的Ag3Sn弥散分布以外，还形成了最大可达数十微米的板状Ag3Sn初晶，这主要是由于采用F-Ca的玻璃粉经过烧结后，F-Ca玻璃粉形成具有钙长石的针状网络结构将银层牢牢“封锁”，致使在进行钎焊时银层受到保护，因而不易与无铅钎料（96.5Sn3.0Ag0.5Cu）形成Sn-Ag 合金。

从而使得元件表面的银层在进行多次钎焊或较长时间的焊接时，可有效阻止钎料的进一步侵蚀。

因此元器件电极银层仍具有较好的导通性能，元器件的可靠性能大大提升。

通过研究Ca-Si-Al-B玻璃粉和Bi-Si-Al-B系两种不同体系的玻璃粉对片式电阻正面电极C1浆料的影响，发现：（1）Ca-Si-Al-B玻璃粉在浆料中质量分数为4%~6%时，C1具有较低的初始方阻以及良好的耐钎料侵蚀特性；（2）含有Ca-Si-Al-B玻璃粉的片式电阻面电极C1不易被钎料所侵蚀，这主要是由于Ca-Si-Al-B玻璃粉在烧结时形成的钙长石针状结构对银的“封锁”作用；（3）含有Ca-Si-Al-B玻璃粉的片式电阻面电极浆料具有电阻率小、成本低、可靠性高的特点，其面电极浆料为片式电阻产品的规模化生产提供了良好的解决方案。

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