不同金屬黏附層對(duì)無(wú)鉛焊料SAC305剪切強(qiáng)度的影響

北方工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院電子工程系 周圣淏 任 毅 王欣宇 劉 銳 鞠家欣 李昊晨 張 靜

無(wú)鉛焊料是不含鉛或含鉛量極少的一種焊料的統(tǒng)稱(chēng)，以Sn為主要的組成成分，向其中加入Ag，Cu等金屬元素。在無(wú)鉛材料中，Sn-Ag-Cu無(wú)鉛焊料是公認(rèn)的最優(yōu)秀的無(wú)鉛焊料，無(wú)鉛焊料中鉛元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)極低，基本在0.02%-0.1%之間共晶Sn-Ag-Cu系無(wú)鉛焊料在凝固過(guò)程中產(chǎn)生粗大的Ag3Sn、Cu6Sn5金屬間化合物（IMC）。

由于在金屬間化合物生長(zhǎng)的過(guò)程中，界面附近的原子會(huì)發(fā)生穿過(guò)界面的互擴(kuò)散，而不同原子擴(kuò)散速度不同，使原子內(nèi)部容易出現(xiàn)原子偏聚，可肯達(dá)爾空洞等缺陷，降低界面可靠性，導(dǎo)致電子元器件互聯(lián)失效，使金屬間化合物成為影響電子封裝中可靠性的重要因素之一。但環(huán)保材料也同樣會(huì)帶來(lái)一系列的問(wèn)題，在電子封裝失效中，互連焊點(diǎn)的剝離，脫落，開(kāi)裂等失效是主要的原因，而且焊點(diǎn)處脆性的金屬化合物極易發(fā)生過(guò)度生長(zhǎng)，影響器件性能，解決焊點(diǎn)優(yōu)化問(wèn)題已經(jīng)成為了電子封裝領(lǐng)域的重點(diǎn)問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)用切絲重熔法這一方法來(lái)制備SAC305無(wú)鉛焊料小球。將需要用的釬料制作成細(xì)絲，為了讓每一小段合金絲融化并通過(guò)表面張力凝固成為無(wú)鉛焊料小球，將細(xì)絲剪切為均勻的小段并放在熱油中，最后得到滿足要求的無(wú)鉛焊料小球。

第二步使用回流焊將焊錫小球連接在鐵氧體基體上：將焊球植于助焊膏/乙醇溶液上，放入設(shè)備回流，設(shè)定焊點(diǎn)形成溫度為260℃。使用微機(jī)控制電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)形成的焊球進(jìn)行剪切強(qiáng)度的測(cè)試，控制推頭剪切速率，測(cè)量2～3個(gè)相同條件下的焊球樣品的最大剪切力，并取平均值，得到剪切強(qiáng)度。

之后，在四組鐵氧體基體上通過(guò)磁控濺射鍍制相同的金屬粘附層，本文使用的是Au。四組焊點(diǎn)的形成溫度分別為：第一組：260℃；第二組：270℃；第三組：280℃；第四組：290℃。

切絲重熔法制備焊料小球需要把無(wú)鉛焊絲剪切成小段投入熱油中，放入無(wú)鉛焊料小段時(shí)要有時(shí)間上的間隔，目的是為了防止無(wú)鉛焊料小段熔化時(shí)粘在一塊兒。等全部小球都落在球閥相應(yīng)的位置上時(shí)收集小球。然后篩選焊球，把尺寸過(guò)大和過(guò)小的無(wú)鉛焊球都排除出去，把尺寸合適、大小均勻的無(wú)鉛焊球收集在一起。最后進(jìn)行清洗與干燥。焊球清洗一般在超聲波清洗儀中用丙酮或酒精來(lái)清洗合格的焊球。本實(shí)驗(yàn)所制的SAC305無(wú)鉛焊料小球的直徑為0.76mm。

鍍制鐵氧體基體上的粘附層采用的是磁控濺射的方法。磁控濺射技術(shù)是物理氣相沉積（PVD）的一種；可以用于制備絕緣體、金屬、半導(dǎo)體等多種基體材料。磁控濺射技術(shù)所沉積的薄膜的膜層粘附力強(qiáng)、鍍膜面積大，而且磁控濺射機(jī)的設(shè)備的操作方法相對(duì)簡(jiǎn)單、容易操控；同時(shí)，磁控濺射技術(shù)也擁有速度快、溫度低、損傷小的特性。

在外加電場(chǎng)的控制下，陰極所發(fā)射的電子在向需要濺射的基體飛行的過(guò)程中，與飛行路徑上的氬氣原子發(fā)生碰撞，使氬氣原子發(fā)生電離，產(chǎn)生氬離子與新的電子，氬離子在電場(chǎng)的加速下向金屬靶材飛去，而新產(chǎn)生的電子則飛向需要濺射的基體；氬離子由于飛行速度極快，所以具有極高的能量，并以此能量來(lái)轟擊金屬靶材的表面，這使金屬靶材表面的金屬原子離開(kāi)器表面，發(fā)生濺射；在這些被濺射出來(lái)的粒子之中，中性的靶材原子或分子會(huì)沉積在鐵氧體基體上并形成金屬薄膜，也就是本實(shí)驗(yàn)所需的金屬粘附層，產(chǎn)生二次電子則會(huì)在電場(chǎng)與磁場(chǎng)的共同作用下發(fā)生電子漂移并且會(huì)被束縛在靶材表面附近的等離子體區(qū)域，使該區(qū)域內(nèi)的氬氣原子繼續(xù)發(fā)生電離，并生成更多的氬離子，用來(lái)轟擊金屬靶材，這就使沉積的速率得到了提高。

每次使用磁控濺射機(jī)鍍制金屬黏附層時(shí)，都需要進(jìn)行抽真空操作，這主要是為了保證所鍍制的金屬粘附層達(dá)到需要的厚度及平整度，根據(jù)所需的厚度與平整度的不同，需要的真空度也不同，膜層厚度越厚，抽真空的時(shí)間越長(zhǎng)。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)磁控濺射技術(shù)分別在鐵氧體基體表面鍍制了Al、Cr、Au、Ag、Cu金屬粘附層，其厚度均為100nm，抽真空時(shí)間統(tǒng)一為10min。

SAC305無(wú)鉛焊料小球的回流焊接是先將所需焊接的貼裝或插裝器件依照器件、焊料、基體的順序由上到下放置好；然后進(jìn)行回流，設(shè)置溫度。焊料發(fā)生融化后會(huì)通過(guò)自對(duì)準(zhǔn)效應(yīng)將器件拉到正中的位置，自對(duì)準(zhǔn)效應(yīng)主要就是液態(tài)焊料通過(guò)自身表面張力來(lái)拖拽浮于其上的器件以使自身的力達(dá)到平衡。調(diào)整完成后，回流焊進(jìn)入降溫段，當(dāng)溫度降到一定程度時(shí)發(fā)生凝固，其上的器件就被固定到了基體上。回流焊主要分為以下幾步：第一步，預(yù)置焊膏。這一步主要的為了增大焊球與鍍制了金屬粘附層的基體的潤(rùn)濕性，同時(shí)也是焊球穩(wěn)定的待在基體上；第二步，放置焊球。本實(shí)驗(yàn)使用的方法為手工放置，通過(guò)鑷子夾持焊球，并放置在預(yù)置了助焊膏的區(qū)域；第三步，回流焊。這一步優(yōu)先需要在控制軟件內(nèi)設(shè)置各溫區(qū)的溫度以及各溫區(qū)的停留時(shí)間，這是為了達(dá)到所需的回流曲線。

對(duì)于回流焊接來(lái)說(shuō)，一個(gè)非常重要的元素就是回流曲線，回流焊最后焊成的成品的質(zhì)量好壞，在很大程度上取決于回流曲線的設(shè)計(jì)，回流曲線如果設(shè)計(jì)的不合適，就會(huì)使焊成的元器件出現(xiàn)焊接缺陷，使器件的性能受到影響，甚至是失效。而在回流曲線中有兩個(gè)十分重要的參數(shù)——峰值溫度與液相線以上停留的時(shí)間，這兩個(gè)參數(shù)確定了一個(gè)回流曲線是否合適。理論回流曲線如圖1所示。

圖1 理論回流焊曲線

本實(shí)驗(yàn)在不同的金屬粘附層部分設(shè)置的峰值溫度統(tǒng)一為260℃，并且在SAC無(wú)鉛焊料小球的液相線（218℃）以上停留時(shí)間統(tǒng)一為100s。在不同焊點(diǎn)形成溫度部分分成4組，其設(shè)置的峰值溫度分別為260℃、270℃、280℃、290℃，液相線以上停留時(shí)間統(tǒng)一為100s。實(shí)際回流曲線如圖2所示。

圖2 實(shí)際回流焊曲線

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 測(cè)試方法

本實(shí)驗(yàn)采用推球?qū)嶒?yàn)測(cè)試SAC305無(wú)鉛焊料小球在不同金屬粘附層上的剪切強(qiáng)度。推球?qū)嶒?yàn)的主要原理是通過(guò)橫向平移的推頭以均勻的速度去推焊接完成的無(wú)鉛焊料小球。這里需要先將焊好的樣品固定在卡具上；固定完成后，調(diào)整推頭的縱向位置，使推頭端部略微超過(guò)無(wú)鉛焊料小球的橫向半徑最大處，其目的是使推頭端部，能夠無(wú)鉛焊料小球的橫向半徑最大處，在進(jìn)行推球試驗(yàn)的時(shí)候，才能得到相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)值。在推球過(guò)程中需要保證推頭移動(dòng)速度均勻，因?yàn)橥魄虻乃俣仍酱?，其在接觸到無(wú)鉛焊料小球的時(shí)候，其動(dòng)能所轉(zhuǎn)化的能量就越大，所以不同的推球速率得到的推力數(shù)值也不一樣。

2.2 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)計(jì)算三個(gè)樣品剪切強(qiáng)度的平均值，得出Al粘附層對(duì)SAC305無(wú)鉛焊料小球的剪切強(qiáng)度為26MPa。Al在室溫下就能夠與氧氣反應(yīng)。如表1所示。

表1 Al層對(duì)SAC305小球的剪切強(qiáng)度

該反應(yīng)發(fā)生的速度極快，即使用砂紙打磨掉表面的氧化膜后，新的氧化膜也會(huì)迅速長(zhǎng)出，這會(huì)阻礙粘附層與無(wú)鉛焊料小球的結(jié)合。如表2所示。

表2 Cr層對(duì)SAC305小球的剪切強(qiáng)度

通過(guò)計(jì)算三個(gè)樣品剪切強(qiáng)度的平均值，得出Cr粘附層對(duì)SAC305無(wú)鉛焊料小球的剪切強(qiáng)度為25.7MPa。如表3所示。

表3 Cu層對(duì)SAC305小球的剪切強(qiáng)度

通過(guò)計(jì)算三個(gè)樣品剪切強(qiáng)度的平均值，得出Cu粘附層對(duì)SAC305無(wú)鉛焊料小球的剪切強(qiáng)度為34MPa。在此次實(shí)驗(yàn)中，Cu粘附層在進(jìn)行無(wú)鉛焊料小球的回流焊時(shí)，爐內(nèi)存在氧氣與水蒸氣，使Cu與二者發(fā)生氧化反應(yīng)得到的Cu2(OH)2CO3為藍(lán)綠色固體，其存在會(huì)使Cu層與無(wú)鉛焊料小球的之間的結(jié)合力減弱。如表4所示。

表4 Ag層對(duì)SAC305小球的剪切強(qiáng)度

通過(guò)計(jì)算三個(gè)樣品剪切強(qiáng)度的平均值，得出Ag粘附層對(duì)SAC305無(wú)鉛焊料小球的剪切強(qiáng)度為51.3MPa。如表5所示。

表5 Au層對(duì)SAC305小球的剪切強(qiáng)度

通過(guò)計(jì)算三個(gè)樣品剪切強(qiáng)度的平均值，得出Au粘附層對(duì)SAC305無(wú)鉛焊料小球的剪切強(qiáng)度為73.7MPa。

本實(shí)驗(yàn)用過(guò)電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)的推球試驗(yàn)功能來(lái)測(cè)試所焊的SAC305無(wú)鉛焊料小球在不同的焊點(diǎn)形成溫度的情況下在鍍制Au膜的鐵氧體基體上的剪切強(qiáng)度。具體數(shù)值如表6所示。

表6 不同焊點(diǎn)形成溫度對(duì)SAC305小球的剪切強(qiáng)度

繪制曲線圖如圖3所示。

圖3 焊點(diǎn)溫度對(duì)SAC305小球剪切強(qiáng)度趨勢(shì)圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論分析

通過(guò)上文關(guān)于不同粘附層對(duì)SAC305無(wú)鉛焊料小球剪切強(qiáng)度的影響與不同焊點(diǎn)形成溫度對(duì)SAC305無(wú)鉛焊料小球剪切強(qiáng)度的影響的探究，對(duì)于實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)以及在實(shí)驗(yàn)過(guò)程之中所出現(xiàn)的現(xiàn)象的分析，得到如下結(jié)論：（1）通過(guò)比較不同金屬粘附層對(duì)SAC305無(wú)鉛焊料小球的剪切強(qiáng)度，得出結(jié)論：剪切強(qiáng)度Au層>Ag層>Cu層>Cr、Al層；（2）Au層效果最好的原因?yàn)?，Au層在回流焊時(shí)沒(méi)有明顯的氧化反應(yīng)，表面無(wú)致密的氧化層以阻礙焊接進(jìn)行；而且Au與Sn的潤(rùn)濕性良好，能夠良好的與Sn結(jié)合；除此之外，Sn與Au的界面面積較大，所以結(jié)合效果好；（3）而同樣與Sn潤(rùn)濕性良好的Ag與Cu，效果不如Au的原因?yàn)锳g在回流焊過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)過(guò)度的焊球融化，這種現(xiàn)象主要是由于Ag與Sn的潤(rùn)濕性好，但是因?yàn)樵诨亓骱高^(guò)程中回流曲線設(shè)計(jì)的不恰當(dāng)，導(dǎo)致SAC305焊球在液相線以上停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)所導(dǎo)致的，這需要通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)正確的焊接；（4）Cu層在回流焊時(shí)發(fā)生了大面積的氧化現(xiàn)象，這是因?yàn)楹附訒r(shí)無(wú)法控制回流焊爐內(nèi)的氣氛導(dǎo)致的，本實(shí)驗(yàn)由于設(shè)備無(wú)法控制內(nèi)部氣氛，焊接時(shí)不可避免的會(huì)有氧氣、水蒸氣、二氧化碳?xì)怏w的混入，得到的Cu2(OH)2CO3為藍(lán)綠色固體，所以Cu層對(duì)SAC305無(wú)鉛焊球的剪切強(qiáng)度不如Au層與Ag層；（5）Al層與Cr層由于本身極易氧化，所產(chǎn)生的氧化層會(huì)阻礙粘附層與無(wú)鉛焊料小球的結(jié)合。Cr層在焊接的過(guò)程中也會(huì)與焊接氣氛中的某些氣體發(fā)生氧化還原反應(yīng)使得Cr被氧化。二者表面附著由致密的氧化層，阻礙了焊接反應(yīng)的進(jìn)行，所以得到的剪切強(qiáng)度最差。