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温度对金锡合金焊料共晶形貌影响机制研究
上传更新:2022-01-07

转自 高可靠电子装联技术 刘洪涛

摘要: 金锡焊料熔封作为典型的高可靠气密封装方式,广泛应用于航空航天、船舶舰艇、导弹雷达、装甲坦克等装备系统器件。鉴于金锡焊料环对成分和质量有严格的控制要求,在实际应用中会由于管壳、盖板母材及其镀层的参与造成对共晶点的偏离,得到更为复杂的焊接状态。为深入剖析封装机理、提高封装质量,对影响共晶界面形貌最为重要的温度因素展开研究。设定不同峰值温度,通过扫描焊接样品截面,观察界面化合物状态和分布,研究密封过程中工艺参数对封焊区微观形貌的影响,得到焊缝厚度、树枝晶化合物厚度、Ni 元素扩散距离等界面状态随峰值温度变化的趋势,为进一步提高金锡焊料熔封可靠性提供理论参考。

关键词:金锡合金;焊料;共晶;峰值温度;界面形貌

 

1 引言

AuSn20 被称为金锡合金或金锡共晶,是一种常见的无铅焊料。当Au 和Sn 的质量分数分别为80%和20%时,在278℃的较低温度下即可完成共晶反应,不需要助焊剂。这种焊料导热率和剪切强度很高,在电子封装中常用作芯片的焊接材料;又以其较高的稳定性、耐腐蚀性和润湿性,在高可靠气密封装中应用广泛[1-3]。在实际应用中,管壳、盖板多采用金元素作为镀层,镀金层在焊接过程中向焊料中熔解,造成局部金锡比例失配。同时,由于温度、压力等重要工艺参数的影响,往往反应会偏离共晶点,得到不理想的焊接状态,导致焊接强度的降低和可靠性下降[4-8]。

在此以CQFP240 陶瓷外壳作为研究对象,采用50 μm 厚度AuSn20 焊料环,基于烧结工艺,研究密封过程中温度对焊接形貌的影响。设定不同峰值温度,通过扫描焊接样品的截面,观察界面化合物状态和分布,研究密封过程中工艺参数对封焊区微观形貌的影响,进而得到界面状态随峰值温度变化的一般规律。

 

2 试验条件及要求

图1 显示了CQPF240 陶瓷外壳的结构图。密封区为方环形,内侧边长20.6±0.25 mm,外侧边长24.4±0.25mm,转角处倒角半径0.42 mm。密封区基材是Al2O3 陶瓷,镀层为Ni-Au-Ni-Au 复合结构,其中镍层厚度1.3~8.9 μm,金层厚度1 μm。焊料成分为AuSn20 金锡合金。盖板基材是Fe-Co-Ni 的可伐合金,镀层为Ni-Au-Ni-Au 复合结构,其中金层的厚度0.6μm,镀镍层的厚度为5μm。

图1 CQPF240陶瓷外壳

采用VOL180 烧结炉为试验设备,通过调整烧结峰值温度,制备多组样品。样品编号为#1~#4,以烧结的峰值温度为变量,分别对应310℃、330℃、350℃、370℃,如图2所示。

图2 烧结峰值温度设定

该组样品保持焊接压力为7.5N,峰值温度保持时间8 min。样品在烧结预热过程中(t0时间段之前),开启真空泵,进行3 次抽真空循环,以去除炉体中的空气,并充以纯度99.99%以上的高纯氮气为焊接气氛。将烧结好的样品用树脂进行镶嵌,以如图3 所示的观察截面为目标位置,依次采用100 目、200目、400 目、1000 目、3000 目砂子进行研磨。研磨到目标焊接区域后,进行抛光并喷碳以增加导电性。采用SEM 分析方法,得到焊接界面形貌图,结合能谱分析,探测焊接界面的元素成分。

图3 目标观察截面选取位置示意图

3 焊缝形貌观察

样品处理完成后,通过扫描电子显微镜观察焊接界面的形态,然后进行分析。首先, 以峰值温度330℃的典型样品为例,通过扫描电子显微镜观察到的焊料界面形态如图4 所示。从图中可以看出,盖板与焊料之间已经良好结合,盖板镀Ni 层与焊缝形成了清晰的界面。

 

图4 焊缝SEM形貌及成分

焊缝中存在深灰色化合物,通过能谱分析,测得各种元素的种类及所占百分比,如表1 所示。由分析可知,深灰色物质由Ni、Sn、Au 三种物质组成,其原子百分比分别为24.23%、43.87%、32.90%。其中,Ni元素来自于盖板的镀Ni 层中,说明镀层成分已经向焊缝中扩散并形成了三元化合物。

另一方面,焊缝与管壳结合的界面处,则生成了较为明显两层化合物。首先,是层状化合物从镀Ni层上生长出来。在层状化合物外,又出现树枝晶状化合物,向焊缝内生长,如图5所示。

图5 焊缝及母材之间的树枝晶

测量新形成的焊缝宽度,为32.81 μm,相比于AuSn20 焊料环初始厚度的50 μm,已有一定程度的减少。


4 温度影响研究

4.1 焊缝厚度

设置不同的峰值温度,发生共晶反应,使焊料熔化并完成封装。图6 分别给出了310 °C、330 °C、350°C 和370°C 温度下的焊缝微观形貌。从图中可以看出,温度对焊接界面的形态产生了显著影响。

图6 焊缝微观形貌图

随着温度升高,焊缝厚度趋于增加,变化曲线如图7所示。可见,在310°C、330°C、350°C 时,焊缝厚度小于焊料初始厚度。当峰值温度为310℃时,良好的焊缝已经形成,其厚度为19.64μm。峰值温度升高到320℃、330℃时,焊缝厚度略有增加。在310℃~330℃中,焊缝厚度略有波动,但总体水平相近。产生波动的主要原因据分析应为:不同外壳、盖板、焊料环样品之间存在差异;焊缝中存在空洞,引起焊缝厚度的波动;共晶过程中对管壳、盖板施加的焊接压力及施加位置存在差异。

图7 焊缝宽度

当峰值温度达到370 °C 时,焊缝厚度大于初始焊缝宽度。这说明,峰值温度高于350°C 时,焊缝中必然存在大量的气泡,固化后将形成空洞,对焊接可靠性造成致命影响。因此,为降低未来的空洞率,应选取可形成较窄焊缝的工艺温度。

 

4.2 镀层Ni 元素扩散距离

Ni 元素来源是管壳、盖板的镀层,其作用是保护管壳、盖板母材,并增加镀金层的连接性。由成分探测分析可知,Ni 元素已经向焊缝中扩散并形成了三元化合物。Ni元素扩散距离随峰值温度的变化如图8所示。

图8 Ni元素向焊缝中心的扩散

当峰值温度为310 ℃时,Ni 元素离开镀层向焊缝中扩散的最大距离占焊缝宽度的12%。随着峰值温度的升高,Ni 元素向焊料中扩散的距离进一步增加。在310℃时,Ni 元素扩散到19%;350℃时,扩散距离增大到61%。在370℃时,整个焊缝区域都能探测到Ni 元素。由此可见,峰值温度对Ni 元素的扩散作用有显著的影响。由于金和锡可以形成良好的共晶界面,当有镍元素参与时,反应不确定性增加,因此应避免Ni 元素的过度扩散。

 

4.3 界面化合物和树枝晶厚度

除上述影响外,峰值温度的升高还会造成层状化合物(IMC 层)的厚度明显增加,从0.97 μm 生长到3.99 μm,且树枝晶向焊缝内的生长也更为明显,从0.36μm 提高到了4.71μm。具体变化情况如图9所示。

图9 界面化合物和树枝晶厚度

由图可见,随着温度升高,IMC 和枝晶厚度明显增加。可知初始的IMC 不应太厚,因为时效会使其保持增长,这会导致强度逐渐降低。同时,树枝晶易碎并且容易断裂,树枝晶的生长会使得焊缝的强度下降。因此,有必要通过控制峰值温度来控制IMC和枝晶的厚度。 

 

5 结束语

在金锡焊料熔封过程中,温度是影响共晶界面形貌最为重要的因素。通过设定不同峰值温度,扫描焊接样品截面并观察界面化合物状态和分布,研究了密封过程中工艺参数对封焊区微观形貌的影响。得到焊缝厚度、树枝晶化合物厚度、Ni 元素扩散距离等界面状态随峰值温度变化的趋势。在保证良好焊接状态的前提下,峰值温度越低,焊缝的可靠性越高,当峰值温度超过350℃时,形成的气密封装结构极不可靠,在实际工艺操作中应尽力避免。

 

 

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