導讀

SAC305（Sn-3.0Ag-0.5Cu）無鉛焊料是電子封裝領域應用互連材料之一，其在海洋潮濕環境中長期服役時，不可避免地承受循環載荷與腐蝕介質的耦合作用。然而，應力與腐蝕的交互效應并非二者的簡單疊加，而是涉及鈍化膜破潰、陽極溶解加速及應變局部化等復雜過程的協同機制。以往研究多將力學與腐蝕因素分別考察，缺乏對循環加載下電化學參數實時演化的直接觀測與定量表征，尤其對于峰值應力超過屈服強度后焊料的腐蝕響應規律認識不足。因此，揭示循環應力幅值對SAC305極化行為、電流密度響應及鈍化膜形貌演化的影響機制，對于電子設備在腐蝕環境中的可靠性評估與壽命預測具有重要的指導意義。

研究概述

針對上述問題，天津大學化工學院陳剛、崔瑩、林強等在《電子封裝雜志》期刊發表了題為"Effect of Cyclic Stress on Electrochemical Corrosion Behavior of SAC305 Solder"的研究論文。該研究以SAC305無鉛焊料為對象，在3.5 wt% NaCl溶液中系統研究了循環加載對動電位極化曲線、腐蝕電流密度響應及鈍化膜形貌的影響。試驗采用IBTC-5000單軸疲勞試驗機結合CS350H電化學工作站，同步獲取力學與電化學參數，并利用Keyence VHX-5000超深度三維顯微鏡進行實時原位觀察，結合數字圖像相關（DIC）技術量化應變分布。峰值應力分別設定為30 MPa（低于屈服強度）和36 MPa（高于屈服強度），以對比彈性與塑性變形對腐蝕行為的差異化影響。此外，通過恒電位極化試驗，進一步闡明了循環應力對鈍化膜形成與破壞過程的作用機制。

實驗方法與核心發現

研究以SAC305鑄錠經線切割加工的試樣為對象

圖1 試樣示意圖（單位：mm）

，其光學顯微組織如

圖2 SAC305的光學顯微組織

所示，單軸拉伸試驗表明屈服應力約為30 MPa，斷裂強度約為47 MPa

圖3 單軸拉伸試驗的應力-應變曲線

。試驗系統如

圖4 試驗系統照片，結合了腐蝕環境、機械加載和電化學測試

所示，將腐蝕池集成于疲勞試驗機，同時連接電化學工作站。

1. 循環應力顯著影響極化行為與腐蝕傾向

動電位極化曲線表明，隨峰值應力增大，極化曲線向右下方移動。無應力試樣具有最高的腐蝕電位的腐蝕電流密度，而加載試樣的腐蝕電位降低、腐蝕電流密度增大，表明應力增加了材料的腐蝕傾向。30 MPa和36 MPa兩種峰值應力下均觀察到極化行為的變化。循環加載形成了與加載同頻率的應力誘導電流，陰極極化階段即可觀察到明顯的周期性電流響應，且位移累積與腐蝕電流之間存在對應關系。

圖5 SAC305有載荷與無載荷下的電流密度極化曲線：(a)無應力，(b)峰值應力30 MPa循環加載，(c)峰值應力36 MPa循環加載

圖6 前500秒陰極極化結果：(a)峰值應力30 MPa下SAC305電流密度極化曲線，(b)位移累積與腐蝕電流的對應關系

2. 峰值應力超過屈服強度顯著增大應力誘導電流密度

當峰值應力為36 MPa（超過屈服強度）時，應力誘導電流密度顯著增大，促進了腐蝕事件的發生。在陽極極化階段，峰值應力36 MPa試樣的電流響應遠比30 MPa更為劇烈，不同時間段的電流密度細節存在明顯差異，維鈍階段電流密度更高且持續時間更短，隨后電流密度持續周期性增大。過鈍化階段亦出現更大的電流波動范圍。

圖7 不同峰值應力循環加載下腐蝕電流密度響應：(a)總體趨勢，(b)–(d)不同時間段的細節

3. DIC原位表征揭示應變累積與腐蝕的關聯

通過DIC技術獲得的應變場演化表明，峰值應力超過屈服強度時應變集中顯著，電化學與力學的協同效應導致快速失效。應變累積隨時間的演化顯示，電化學環境的加入加速了應變累積；當峰值應力超過屈服強度時，力學與電化學的耦合效應更強，材料更早進入快速失效階段。

圖8 峰值應力30 MPa循環加載下應變場演化

圖9 峰值應力36 MPa循環加載下應變場演化

圖10 不同條件下應變隨時間的累積（EW表示電化學腐蝕環境，AIR表示空氣環境）

4. 循環應力改變鈍化膜的形貌與完整性

峰值應力30 MPa下，腐蝕產物膜出現褶皺、孔洞和團聚體，EDS分析顯示Cl和O含量較高，表明形成了錫的復雜氧氯化物。小幅度反復加載是形成致密腐蝕產物結構的主要原因。當峰值應力為36 MPa時，塑性變形嚴重，中間應力集中區域腐蝕產物膜嚴重破裂甚至脫落，大量基體暴露。褶皺垂直于加載方向，形態與30 MPa條件明顯不同。

圖11 峰值應力30 MPa疲勞試驗后腐蝕產物膜形貌的SEM圖像：（a）不同形貌總覽，包括褶皺、孔洞和團聚體，（b）腐蝕產物膜的詳細形貌，EDS揭示腐蝕產物中Cl和O含量較高

圖12 峰值應力36 MPa疲勞試驗后不同位置試樣表面的SEM圖像：（a）和（c）為試樣兩端，（b）為中間部位。水平方向為加載方向。（b）中腐蝕產物膜嚴重破壞，伴有大量裂紋和暴露的基體結構。（a）和（c）中觀察到垂直于加載方向的褶皺

圖13 圖12(b)的詳細SEM圖像：（a）和（b）褶皺和裂紋形貌，指示腐蝕產物的成分，（c）暴露基體結構的形貌

圖14 陰極極化過程示意圖：樣品表面產生大量氫氣氣泡：(a)無循環加載，(b)有循環應力

圖15 陽極極化過程示意圖：Pt電極周圍產生大量氣泡，工作電極發生陽極溶解：(a)無循環加載，(b)有循環應力

5. 恒電位極化下鈍化膜的動態形成與破壞

恒電位極化試驗表明，循環加載破壞了鈍化膜的穩定性和完整性，應變值直接決定了鈍化膜的損傷程度。高應力可導致局部表面鈍化膜堆積、鼓起甚至破裂，使其與基體分離。同時，表面缺陷和原子活化度在大應變下更高，增加了鈍化膜破壞的可能性。力學-電化學效應與應變速率呈線性關系，這一結論通過對比棘輪應變趨勢和陽極極化階段的腐蝕電流密度響應得到了驗證。

圖16 循環加載下鈍化膜的形成與破壞過程

圖17 不同條件下腐蝕電流密度詳細對比

圖18 SAC305焊料在NaCl溶液中伴隨應變的腐蝕過程示意圖

結論與工程啟示

該研究系統揭示了循環應力對SAC305無鉛焊料電化學腐蝕行為的影響機制。研究指出：應力增加了材料的腐蝕傾向，循環加載形成的應力誘導電流密度隨峰值應力增大而顯著增加；當峰值應力超過屈服強度時，塑性變形嚴重破壞了鈍化膜的完整性與穩定性，大量基體暴露后電子轉移通道持續存在，導致陽極溶解加速和棘輪應變快速增長，力學與電化學的協同效應使材料更早進入快速失效階段。DIC技術為原位量化應變分布與鈍化膜損傷的關聯提供了有效手段。該研究為電子設備在腐蝕環境中的可靠性評估提供了重要的實驗依據和理論支撐，也為開發高耐蝕焊料合金及優化服役工況提供了工程啟示：在設計和使用含SAC305焊料的電子設備時，應嚴格控制力學載荷不超過焊料的屈服強度，并采取有效的腐蝕防護措施，以延緩力學-電化學協同損傷的累積。