共晶金錫焊料焊接的處理和可靠性問題.doc

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1、共晶金錫焊料焊接的處理和可靠性問題摘要：因?yàn)閭鹘y(tǒng)鉛錫焊料和無鉛焊料強(qiáng)度不足、砍蠕變能力差以及其他的本身缺陷，共晶金錫焊料已經(jīng)替代它們廣泛用于高可靠和高功率電路中，包括使用在混合電路、MEM、光電開關(guān)、LEDs、激光二極管和無線電裝置。金錫焊料焊接中可以避免使用組焊劑，尤其可以減少污染和焊盤的腐蝕。雖然使用金錫焊料有很多優(yōu)點(diǎn)，但材料的性能和焊接工藝工程仍需研究。前言：由于共晶金錫焊料具有優(yōu)良的機(jī)械和熱傳導(dǎo)性能（特別是強(qiáng)度和抗蠕變性）以及不需組焊劑可以很好的再流的特性，共晶AuSn被廣泛應(yīng)用于高溫和高可靠性的電路中。與之對比其他無鉛和傳統(tǒng)的鉛錫共晶焊料卻有著大量的問

2、題：焊接時(shí)需要的組焊劑造成了焊接焊盤的腐蝕，同時(shí)殘雜也會危害EMES、光電電路和密封封裝（組焊劑一般在密封電路中被禁止使用）。在光學(xué)電路中焊料的過度蠕變或應(yīng)力松弛的積累會導(dǎo)致陣列的退化。低強(qiáng)度低熱傳導(dǎo)率（盡管這個(gè)問題被夸大了，事實(shí)上熱傳導(dǎo)率還需要考慮大焊接焊料的厚度）共晶金錫焊料已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用：如MEMS光開關(guān)等微電子和光電子學(xué)中使用的倒裝芯片；光纖附件;GaAs和InP激光二極管;密封包裝;和射頻器件等。AuSn的焊接已證明可靠性可以達(dá)到30多年，是因?yàn)槠浜附又性倭鬟^程可以產(chǎn)生重復(fù)、無空洞以及無缺陷的焊接。本文回答了很多公司關(guān)于焊接設(shè)計(jì)、焊接材料組合以及再

3、流焊技術(shù)發(fā)展等問題。相圖我們可以從金錫焊料的二元相圖去認(rèn)識很多共晶金錫焊料焊接的關(guān)鍵問題，如圖1所示，焊料中富金時(shí)，液相線下降非常迅速，在常溫下有大量的“線性”化合物。當(dāng)使用金錫焊料焊接鍍金層時(shí)，焊接溫度必須超過280攝氏度，因?yàn)橹挥羞_(dá)到這個(gè)焊接問題，鍍層里的金元素才可以擴(kuò)散或融入到焊料中。這樣可以產(chǎn)生兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：在這個(gè)溫度下第二次再流不會損壞到焊料；更高的溫度也可以產(chǎn)生更大的抗蠕變性。然而，焊接后中間的焊料很難再次起到焊接作用，因?yàn)榧词箖蓚€(gè)焊接界面可以分開，殘留下焊接時(shí)形成的金屬間化合物都會阻止再流。而且，焊接中的“凝固”現(xiàn)象也會使浸濕不充分導(dǎo)致焊接不完全而使強(qiáng)

4、度下降。這些缺點(diǎn)可以通過增加焊料中錫成分成為富錫焊料，這樣，共晶成分中金完全平均分散的。但在使用金錫焊膏時(shí)候，這種方法也是有一定缺陷的，因?yàn)楹父嗟某煞质强勺兊?，這也是為什么使用蒸發(fā)、濺射或電鍍方法來沉積焊膏。對于共晶焊接，我們應(yīng)該關(guān)注冷卻時(shí)如下的過程：L→ξ+δ→ξ’+δ，一般來說，焊接后ξ和ξ’構(gòu)成了焊接的主要組成，其中ξ’是焊接后形成的金屬間化合物。焊接后，我們期盼構(gòu)成η,ε,δ和ξ’的連續(xù)的界面。一般來說，瞬間液相（TLP）連接使用的更多而不是共晶連接。瞬間液相（TLP）連接的優(yōu)點(diǎn)的是連接溫度處于Sn液相點(diǎn)和共晶液相間之間。但是，此種焊接時(shí)加熱時(shí)間和冷卻時(shí)

5、間都需要更長，而且如果在這個(gè)過程里反應(yīng)沒有完全，則以后長時(shí)間里微結(jié)構(gòu)的演變都會繼續(xù)。通過多層薄的焊料可以減少這些缺陷，因?yàn)楸涌梢詼p少擴(kuò)散距離，也減少產(chǎn)生金屬間化合物的時(shí)間。這個(gè)相圖有利于我們認(rèn)識焊料的機(jī)械性能。錫富一方形成的金屬間化合物方圖是“線”形化合物，具有極其有限的溶解度。這些化合物一般有著高強(qiáng)度和良好的抗蠕變性，但展延性減少。但在下文中我們將討論到，具備中等延性和優(yōu)良的抗蠕變性的金錫焊料形成的金屬間化合物卻遠(yuǎn)比CuSn化合物有更好的展延性。金屬化層選擇合適的金屬化層是共晶焊接的關(guān)鍵之一。一般的要符合如下的要求：合適的焊接界面擴(kuò)散阻擋層保護(hù)層合適的焊接界

6、面是使電子元器件焊接到陶瓷基板上的必備界面，因?yàn)榇蟛糠值慕饘俨牧喜豢梢灾苯踊ヂ?lián)到共價(jià)材料上；而對于金屬基板是不需要焊接界面。擴(kuò)散阻擋層必須既要和焊接層互聯(lián)良好，而且和錫（內(nèi)在）不反應(yīng)或足夠的厚以阻止再流和后面焊接形成的金屬化合物的擴(kuò)散。保護(hù)層是兼容純金材料和金錫焊料的必備材料，可以保護(hù)表面在再流焊接前的氧化。很多領(lǐng)域使用到金錫焊料。表一列出了典型的基板和金屬化的厚度。一般的，TIW/Au和Ti/Pt/Au(互聯(lián)層/阻擋層/保護(hù)層)用于半導(dǎo)體器件和陶瓷基板的焊接，Ni/Au用在金屬的連接。Ni一般用電解電鍍或化學(xué)電鍍，但后者成本更低更多的使用。擴(kuò)散阻擋層一般選用N

7、i、Pt和Pd，或在TIW層上沉積NiSn和AuSn的金屬間化合物。和Sn發(fā)生反應(yīng)的阻擋層，擴(kuò)散的速率和以下的因素有關(guān)系：焊料互聯(lián)的厚度焊料液相點(diǎn)的峰值溫度焊接的時(shí)間形成物的形貌和阻擋層上的殘余應(yīng)力如圖2所示，Song等人已使用一個(gè)特殊的例子詳細(xì)闡述了阻隔層的損耗問題。這兩篇文章對比了金錫焊料焊接時(shí)，純銅焊盤以及其上有Ni隔離層的差別。金屬間化合物Au-Ni-Sn和CuSn的生長速度成平方根的比例，這是個(gè)一個(gè)典型的擴(kuò)散速度，盡管Ni的耗散速度因?yàn)楹附臃逯禍囟鹊挠绊懽兊酶?。而擴(kuò)散阻隔層W材料和Sn不發(fā)生反應(yīng)，尤其再覆鍍上NiSn或AuSn的金屬間化合物，更可以有

8、效地減少阻隔層的金屬損耗