轉(zhuǎn)自 高可靠電子裝聯(lián)技術(shù) 劉洪濤

摘要: 金錫焊料熔封作為典型的高可靠氣密封裝方式，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶艦艇、導(dǎo)彈雷達(dá)、裝甲坦克等裝備系統(tǒng)器件。鑒于金錫焊料環(huán)對成分和質(zhì)量有嚴(yán)格的控制要求，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)由于管殼、蓋板母材及其鍍層的參與造成對共晶點(diǎn)的偏離，得到更為復(fù)雜的焊接狀態(tài)。為深入剖析封裝機(jī)理、提高封裝質(zhì)量，對影響共晶界面形貌最為重要的溫度因素展開研究。設(shè)定不同峰值溫度，通過掃描焊接樣品截面，觀察界面化合物狀態(tài)和分布，研究密封過程中工藝參數(shù)對封焊區(qū)微觀形貌的影響，得到焊縫厚度、樹枝晶化合物厚度、Ni 元素?cái)U(kuò)散距離等界面狀態(tài)隨峰值溫度變化的趨勢，為進(jìn)一步提高金錫焊料熔封可靠性提供理論參考。

關(guān)鍵詞：金錫合金；焊料；共晶；峰值溫度；界面形貌

1 引言

AuSn20 被稱為金錫合金或金錫共晶，是一種常見的無鉛焊料。當(dāng)Au 和Sn 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為80%和20%時(shí)，在278℃的較低溫度下即可完成共晶反應(yīng)，不需要助焊劑。這種焊料導(dǎo)熱率和剪切強(qiáng)度很高，在電子封裝中常用作芯片的焊接材料；又以其較高的穩(wěn)定性、耐腐蝕性和潤濕性，在高可靠氣密封裝中應(yīng)用廣泛[1-3]。在實(shí)際應(yīng)用中，管殼、蓋板多采用金元素作為鍍層，鍍金層在焊接過程中向焊料中熔解，造成局部金錫比例失配。同時(shí)，由于溫度、壓力等重要工藝參數(shù)的影響，往往反應(yīng)會(huì)偏離共晶點(diǎn)，得到不理想的焊接狀態(tài)，導(dǎo)致焊接強(qiáng)度的降低和可靠性下降[4-8]。

在此以CQFP240 陶瓷外殼作為研究對象，采用50 μm 厚度AuSn20 焊料環(huán)，基于燒結(jié)工藝，研究密封過程中溫度對焊接形貌的影響。設(shè)定不同峰值溫度，通過掃描焊接樣品的截面，觀察界面化合物狀態(tài)和分布，研究密封過程中工藝參數(shù)對封焊區(qū)微觀形貌的影響，進(jìn)而得到界面狀態(tài)隨峰值溫度變化的一般規(guī)律。

2 試驗(yàn)條件及要求

圖1 顯示了CQPF240 陶瓷外殼的結(jié)構(gòu)圖。密封區(qū)為方環(huán)形，內(nèi)側(cè)邊長20.6±0.25 mm，外側(cè)邊長24.4±0.25mm，轉(zhuǎn)角處倒角半徑0.42 mm。密封區(qū)基材是Al2O3 陶瓷，鍍層為Ni-Au-Ni-Au 復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中鎳層厚度1.3~8.9 μm，金層厚度1 μm。焊料成分為AuSn20 金錫合金。蓋板基材是Fe-Co-Ni 的可伐合金，鍍層為Ni-Au-Ni-Au 復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中金層的厚度0.6μm，鍍鎳層的厚度為5μm。

圖1 CQPF240陶瓷外殼

采用VOL180 燒結(jié)爐為試驗(yàn)設(shè)備，通過調(diào)整燒結(jié)峰值溫度，制備多組樣品。樣品編號(hào)為#1~#4，以燒結(jié)的峰值溫度為變量，分別對應(yīng)310℃、330℃、350℃、370℃，如圖2所示。

圖2 燒結(jié)峰值溫度設(shè)定

該組樣品保持焊接壓力為7.5N，峰值溫度保持時(shí)間8 min。樣品在燒結(jié)預(yù)熱過程中（t0時(shí)間段之前），開啟真空泵，進(jìn)行3 次抽真空循環(huán)，以去除爐體中的空氣，并充以純度99.99%以上的高純氮?dú)鉃楹附託夥铡Y(jié)好的樣品用樹脂進(jìn)行鑲嵌，以如圖3 所示的觀察截面為目標(biāo)位置，依次采用100 目、200目、400 目、1000 目、3000 目砂子進(jìn)行研磨。研磨到目標(biāo)焊接區(qū)域后，進(jìn)行拋光并噴碳以增加導(dǎo)電性。采用SEM 分析方法，得到焊接界面形貌圖，結(jié)合能譜分析，探測焊接界面的元素成分。

圖3 目標(biāo)觀察截面選取位置示意圖

3 焊縫形貌觀察

樣品處理完成后，通過掃描電子顯微鏡觀察焊接界面的形態(tài)，然后進(jìn)行分析。首先, 以峰值溫度330℃的典型樣品為例，通過掃描電子顯微鏡觀察到的焊料界面形態(tài)如圖4 所示。從圖中可以看出，蓋板與焊料之間已經(jīng)良好結(jié)合，蓋板鍍Ni 層與焊縫形成了清晰的界面。

圖4 焊縫SEM形貌及成分

焊縫中存在深灰色化合物，通過能譜分析，測得各種元素的種類及所占百分比，如表1 所示。由分析可知，深灰色物質(zhì)由Ni、Sn、Au 三種物質(zhì)組成，其原子百分比分別為24.23%、43.87%、32.90%。其中，Ni元素來自于蓋板的鍍Ni 層中，說明鍍層成分已經(jīng)向焊縫中擴(kuò)散并形成了三元化合物。

另一方面，焊縫與管殼結(jié)合的界面處，則生成了較為明顯兩層化合物。首先，是層狀化合物從鍍Ni層上生長出來。在層狀化合物外，又出現(xiàn)樹枝晶狀化合物，向焊縫內(nèi)生長，如圖5所示。

圖5 焊縫及母材之間的樹枝晶

測量新形成的焊縫寬度，為32.81 μm，相比于AuSn20 焊料環(huán)初始厚度的50 μm，已有一定程度的減少。

4 溫度影響研究

4.1 焊縫厚度

設(shè)置不同的峰值溫度，發(fā)生共晶反應(yīng)，使焊料熔化并完成封裝。圖6 分別給出了310 °C、330 °C、350°C 和370°C 溫度下的焊縫微觀形貌。從圖中可以看出，溫度對焊接界面的形態(tài)產(chǎn)生了顯著影響。

圖6 焊縫微觀形貌圖

隨著溫度升高，焊縫厚度趨于增加，變化曲線如圖7所示?？梢?，在310°C、330°C、350°C 時(shí)，焊縫厚度小于焊料初始厚度。當(dāng)峰值溫度為310℃時(shí)，良好的焊縫已經(jīng)形成，其厚度為19.64μm。峰值溫度升高到320℃、330℃時(shí)，焊縫厚度略有增加。在310℃~330℃中，焊縫厚度略有波動(dòng)，但總體水平相近。產(chǎn)生波動(dòng)的主要原因據(jù)分析應(yīng)為：不同外殼、蓋板、焊料環(huán)樣品之間存在差異；焊縫中存在空洞，引起焊縫厚度的波動(dòng)；共晶過程中對管殼、蓋板施加的焊接壓力及施加位置存在差異。

圖7 焊縫寬度

當(dāng)峰值溫度達(dá)到370 °C 時(shí)，焊縫厚度大于初始焊縫寬度。這說明，峰值溫度高于350°C 時(shí)，焊縫中必然存在大量的氣泡，固化后將形成空洞，對焊接可靠性造成致命影響。因此，為降低未來的空洞率，應(yīng)選取可形成較窄焊縫的工藝溫度。

4.2 鍍層Ni 元素?cái)U(kuò)散距離

Ni 元素來源是管殼、蓋板的鍍層，其作用是保護(hù)管殼、蓋板母材，并增加鍍金層的連接性。由成分探測分析可知，Ni 元素已經(jīng)向焊縫中擴(kuò)散并形成了三元化合物。Ni元素?cái)U(kuò)散距離隨峰值溫度的變化如圖8所示。

圖8 Ni元素向焊縫中心的擴(kuò)散

當(dāng)峰值溫度為310 ℃時(shí)，Ni 元素離開鍍層向焊縫中擴(kuò)散的最大距離占焊縫寬度的12%。隨著峰值溫度的升高，Ni 元素向焊料中擴(kuò)散的距離進(jìn)一步增加。在310℃時(shí)，Ni 元素?cái)U(kuò)散到19%；350℃時(shí)，擴(kuò)散距離增大到61%。在370℃時(shí)，整個(gè)焊縫區(qū)域都能探測到Ni 元素。由此可見，峰值溫度對Ni 元素的擴(kuò)散作用有顯著的影響。由于金和錫可以形成良好的共晶界面，當(dāng)有鎳元素參與時(shí)，反應(yīng)不確定性增加，因此應(yīng)避免Ni 元素的過度擴(kuò)散。

4.3 界面化合物和樹枝晶厚度

除上述影響外，峰值溫度的升高還會(huì)造成層狀化合物（IMC 層）的厚度明顯增加，從0.97 μm 生長到3.99 μm，且樹枝晶向焊縫內(nèi)的生長也更為明顯，從0.36μm 提高到了4.71μm。具體變化情況如圖9所示。

圖9 界面化合物和樹枝晶厚度

由圖可見，隨著溫度升高，IMC 和枝晶厚度明顯增加?？芍跏嫉腎MC 不應(yīng)太厚，因?yàn)闀r(shí)效會(huì)使其保持增長，這會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度逐漸降低。同時(shí)，樹枝晶易碎并且容易斷裂，樹枝晶的生長會(huì)使得焊縫的強(qiáng)度下降。因此，有必要通過控制峰值溫度來控制IMC和枝晶的厚度。 

5 結(jié)束語

在金錫焊料熔封過程中，溫度是影響共晶界面形貌最為重要的因素。通過設(shè)定不同峰值溫度，掃描焊接樣品截面并觀察界面化合物狀態(tài)和分布，研究了密封過程中工藝參數(shù)對封焊區(qū)微觀形貌的影響。得到焊縫厚度、樹枝晶化合物厚度、Ni 元素?cái)U(kuò)散距離等界面狀態(tài)隨峰值溫度變化的趨勢。在保證良好焊接狀態(tài)的前提下，峰值溫度越低，焊縫的可靠性越高，當(dāng)峰值溫度超過350℃時(shí)，形成的氣密封裝結(jié)構(gòu)極不可靠，在實(shí)際工藝操作中應(yīng)盡力避免。

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