铜焊盘与锡合金焊点界面物相分析及可靠性探讨

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1、铜焊盘与锡合金焊点界面物相分析及可靠性探讨        SMT技术在航空、航天、军事等要求高可靠性的高技术领域的应用越来越广泛,其可靠性问题,尤其是热循环失效问题受到从未有的关注和研究。很多学者在焊点形状、焊料与基体的匹配状况、承受的环境状况(温度、应力)等在有限元分析中,已经做得比较深入,取得了许多成果[1～4];在热循环失效问题上很多学者都提出了金属间化合物的长大以晶粒粗化对可靠性的影响,有资料研究[5～6]金属间化合物生长是一个与时间和温度有关的扩散过程,界面上金属间化合物的产生与生长取决于界面上的原子扩散行为。我们知道,芯片受结温要求的限制,SMT焊点工作

2、温度一般不会超过85℃,对于发热比高、功率密度比较大的场合,采取其他相应措施来提高传热效率,从而提高可靠性[7]。　　作者根据再流焊的特点,焊料的再流温度范围为210℃～240℃,大多数表贴器件能够在峰值温度下240℃承受1min这样的实际情况以及焊点实际服役状况,作者从再流焊工艺过程的实际状况出发,设计两种含锡量与铜及铜合金的焊接界面,研究分析了焊点的显微组织、焊点的形成机理以及焊点在一定温度下存储时界面冶金状况的变化。利用X射线衍射研究了两种不同焊盘基材与常用Sn-Pb钎料、Au-Sn共晶钎料的钎焊界面的物相,运用经典相变理论、低周疲劳失效的机理以及“柯肯达尔”

3、效应,就优异焊点的形成、物相产生、温度循环后组织粗化与增加Ni阻挡层,对提高焊接接点的温度循环可靠性的作用进行了分析探讨。1　试验方法　　基体材料分别为H62黄铜、T2紫铜,尺寸为10mm×10mm×1mm,用75W的电烙铁,将分别用Au-Sn共晶焊料Sn60Pb40焊料迅速涂覆到基板上,涂覆Au-Sn共晶焊料的黄铜试样(2#)和涂覆Sn60Pb40焊料试样(1#紫铜、3#黄铜表面电镀Ni约1μm厚和4#黄铜)分别放置在320℃、240℃的热台上,放置1min,冷却后形成钎焊界面,焊料层的厚度大于0.2mm,5#黄铜锡铅常温放置一年(界面形成条件与4#相同),用铣床

4、从基板上截取试样,焊料层分别被铣削加工至30μm～50μm,然后进行X射线衍射。检测设备及试验条件:D/max-rA衍射仪/CuKa辐射、石墨单色器分光。2　试验结果讨论2.1　焊点形成机理探讨　SMT工艺条件下,焊点形成过程是一个钎料在焊盘基材表面润湿、母材溶解、界面扩散、固溶、凝固这样一个过程。在钎焊接点的界面,除生成合金或金属间化合物,还应有一个扩散区形成的固溶体[8],这样的区域就成为钎料和铜焊盘间的冶金结合的桥梁。焊点的形成过程也是一个晶核形成长大的过程,根据经典相变动力学理论,形核是介稳定的液相通过温度起伏在一些微区内形成稳定存在的晶质质点的过程,共有两

5、种形核方式,即自发形核和非自发形核。仅依靠液相内部自发形核的过程,一般需要较大的过冷度才得以完成,而实际凝固过程中往往依靠外来质点等形核,这样在过冷度较小时就能形核,这就是所谓的非自发形核过程。　　影响非自发形核能力的因素:(1)过冷度大其形核率大;(2)衬底对金属液的润湿性的影响,越润湿其形核率越大;(3)衬底的粗糙度越大其形核率也越大。固相表面除存在各种形式的缺陷外,还有平台、台阶和纽结,这种模型称为TLK模型[8],这些区域的原子的活性较大,是焊点形成时促进非自发形核的重要区域。我们根据上述分析,工程中应考虑印制板焊盘与器件相匹配以及相应变形较小的情况下,尽量

6、促进非自发形核,减少或抑制生成合金或金属间化合物,形成优质焊点。2.2　界面的物相分析　　我们用Sn60Pb40钎料来实现Cu焊盘与元器件之间的软钎焊,界面的结合力取决于界面结构、结合机理、物理性质及稳定性。主要表现范德华力、机械锁定力及表面过渡层引起的结合力[8],钎焊的界面主要表现为表面过渡层引起的结合力。为分析界面冶金结合层的相结构,将截取的试样采用逐层分析方法,即用铣床加工以及很小的切削量的方法,H62黄铜试样表面Au-Sn、Sn-Pb钎料层分别加工到30μm～50μm左右,为了便于对比分析我们选择一组试样分别进行了在80℃加热240h前后的XRD分析,得到

7、衍射谱图。X射线的衍射图表明,80℃、240h保温前,界面的相分析:1#的相为β-Sn、Pb、Cu;2#Au、AuSn、Au5Sn、Cu-Sn(铜晶格类型,晶格常数比铜大);3#β-Sn、Pb、Cu、Cu-Zn(面心立方晶格,晶格常数比铜大);4#β-Sn、Pb、Cu、Cu-Zn、Cu-Sn(铜晶格类型,晶格常数比铜大)。80℃、240h保温后,X射线的衍射图发生了变化,界面的相分析:1#的相为β-Sn、Pb、Cu、Cu6Sn5(很少);2#Au、AuSn、Au5Sn、Cu-Sn(铜晶格类型,晶格常数比铜大,数量较加热前增多);3#β-Sn、Pb、Cu、Cu-Z