蘇娟華，張國軍

(河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南洛陽471003)

引線框架材料是半導(dǎo)體元器件和集成電路封裝的主要材料之一，在集成電路中引線框架和封裝材料起著固定芯片，保護內(nèi)部元件，傳遞電信號并向外散發(fā)元件熱量的作用，是集成電路的關(guān)鍵部件[1].由于擁有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，銅合金已成為主要的引線框架材料，集成電路框架材料中，銅合金框架材料的使用量已占框架材料用量的80%以上，主要為Cu-Fe-P系、Cu-Ni-Si系、Cu-Cr系和 Cu-Ag系四大銅合金系列;CuCrSnZn合金是由日本開發(fā)出的一種時效強化型高強高導(dǎo)引線框架材料[2-4].SnAgCu系釬料合金以其較優(yōu)良的潤濕性能及力學(xué)性能已被普遍認為是最有潛力的含鉛釬料的替代品[5-6].引線框架通過引腳采用釬料進行焊接形成焊點，從而實現(xiàn)電子封裝中的各級焊接，當釬料與銅合金母材充分潤濕形成焊點后，會在其界面處形成一層金屬間化合物(IMC)，起到潤濕、電器連接和機械固定作用.但是相關(guān)研究表明，由于這層化合物具有天然的硬脆特性，并在實際應(yīng)用過程中隨著工作環(huán)境變化會繼續(xù)生長而產(chǎn)生應(yīng)力，容易形成應(yīng)力集中，使得焊點力學(xué)性能被嚴重削弱，甚至引起斷裂失效[7-8].純銅基板釬焊接頭界面形成IMC的晶體結(jié)構(gòu)、形貌以及它們對焊點的力學(xué)性能等已經(jīng)有很多人進行了大量的研究[9-11]，但引線框架銅合金材料與無鉛釬料進行釬焊形成接頭界面的IMC的形態(tài)、結(jié)構(gòu)對其焊點穩(wěn)定性的研究卻很少，由于金屬元素在不同基板上具有不同的擴散能力，IMC的分布及厚度變化主要是由焊料合金的成分及基板中金屬元素的擴散能力決定的，因此研究具體銅合金成分的引線框架材料與無鉛釬料釬焊接頭界面及剪切性能就顯得很有必要.文中研究了特定成分的引線框架用Cu 0.38Cr 0.17Sn 0.16Zn合金與 Sn 3.0Ag 0.5Cu 無鉛釬料釬焊接頭在160℃時效不同時間后剪切性能和斷口形貌的演變過程，分析了接頭界面IMC成分、厚度及剪切強度和斷裂形式的變化趨勢.

1 實驗內(nèi)容

本實驗所采用銅合金框架材料為熱軋態(tài)CuCrSnZn合金的板材.其成分為 Cu0.38Cr 0.17Sn 0.16 Zn.釬料使用SM988無鉛焊膏系列的一種，焊膏成分為 Sn 3.0Ag 0.5Cu，熔點為 217～219℃.依據(jù)有關(guān)釬焊接頭強度測試的國家標準，剪切強度的測試采用微搭接頭實驗法.試樣示意圖如圖1所示.用丙酮、酒精清洗干凈的銅板材尺寸為50 mm×10 mm×2 mm，搭接尺寸10 mm×10 mm，保證搭接處表面平整光潔，將等量焊膏均勻涂覆在銅片施焊區(qū).焊接溫度是260℃，保溫時間為6 min，在恒溫加熱平臺上加熱制成焊點，焊接的過程中務(wù)必保證搭接處合金緊密接觸，否則會造成焊接失敗.依次制作5組相同的試樣，每組做3個試樣，取其平均值作為此組試樣釬焊接頭的剪切強度.釬焊樣品冷卻之后放入干燥箱中進行不同時間的時效處理，然后在AG-I 250KN型萬能材料試驗機上測試焊接接頭的剪切強度，進而分析焊接接頭的剪切強度及斷口形貌特征變化.時效時間分別是0、25、50、150、300 h，時效溫度是160 ℃(恒溫)，控制精度為5℃.為了消除殘余應(yīng)力的影響，剪切試樣在時效后剪切之前均采取退火處理:100℃，保溫1 h.應(yīng)變速率為1.0 ×10-3s-1，試驗溫度為298 K，剪切完成之后使用KQ5200超聲波清洗器清洗10 min，然后使用無水酒精清洗，采用JSM-5610LV掃描電鏡對斷口形貌和接頭界面進行觀察.

試驗中，釬焊接頭的剪切強度:

式中:τ為試樣釬焊接頭的剪切強度，P為接頭的破壞載荷，A為破壞前的接頭面積.

圖1 剪切試樣示意Fig.1 Diagram of shear test equipment

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 釬焊接頭界面IMC及斷口形貌變化

釬焊接頭界面未時效和時效300 h的掃描電鏡照片如圖2所示.

圖2 釬焊接頭焊點界面微觀組織形貌Fig.2 Interface microstructure morphology photos of the solder joints

由圖2(a)可以看出，釬焊后未時效時釬料膏和銅合金基體之間形成了一層長針狀非常薄的金屬間化合物.圖3、4分別是圖2中A、B點的能譜數(shù)據(jù)，根據(jù)能譜數(shù)據(jù)可知，A點金屬間化合物的成分為Cu6Sn5，B點金屬間化合物的成分為Cu3Sn.將得到的掃面電鏡照片導(dǎo)入Image tool軟件，統(tǒng)計出不規(guī)則界面IMC的面積，再測量整個界面處IMC層的長度，進而得到IMC的平均厚度.測得未時效時其金屬間厚度平均值約為4.5 μm.隨著時效時間的增長，時效至300 h后界面處IMC的顯微組織形貌逐漸由較長的針狀向平緩的扇貝狀轉(zhuǎn)變，如圖2(b)所示，IMC化合物層高度峰值有一定程度的下降，IMC層的數(shù)量和厚度在不斷增加，厚度約為6.2 μm.IMC層分為2層，靠近 SnAg 3.0Cu 0.5焊料的一側(cè)為Cu6Sn5，靠近銅合金片材基體的一側(cè)為極薄的一層(B點能譜所示)Cu3Sn，而且隨著恒溫時效時間的延長其厚度會逐漸增加，焊料區(qū)域的缺陷明顯變大，邊界曲線變得平緩，IMC被打斷向焊料中生長.由此可見，釬焊后接頭界面在時效的過程中IMC層在固態(tài)下也在持續(xù)生長，生長趨勢逐漸向焊料中延伸，空洞等晶體缺陷逐漸增大，在160℃溫度下IMC的厚度與時效時間有一定的比例關(guān)系，實驗結(jié)果與其他一些文獻基本相符[11-12].

圖3 A點能譜分析Fig.3 EDX analysis at point A

圖4 B點能譜分析Fig.4 EDX analysis at point B

圖5所示為釬焊接頭經(jīng)過不同的時效時間后剪切斷口形貌照片，表1為圖5中C區(qū)和D區(qū)能譜數(shù)據(jù).由圖5(a)可以看出，未時效時剪切斷口形貌有明顯的滑動痕跡;圖5(b)與圖5(c)雖然看不出明顯的滑動痕跡，但是能看到一些韌性撕裂特征存在;圖5(d)與圖5(e)中剪切斷口形貌的韌性撕裂特征不明顯，有少許裂紋存在.由表1中圖5(a)C區(qū)的能譜數(shù)據(jù)可以看出其成分接近于Sn 3.0Ag 0.5 Cu焊料膏，表明未時效時剪切斷裂部位發(fā)生在焊料內(nèi)部，焊料在斷裂前發(fā)生了很大程度的塑性變形;圖5(b)與圖5(c)的斷裂部位也都位于釬料內(nèi)部，依次向其界面IMC處靠近，并且都有一定程度的塑性變形特征，由此可見未時效、時效25、50 h 3組試樣均可看作發(fā)生在釬料內(nèi)部的韌性斷裂行為.圖5(d)與圖5(e)可以明顯看到左下角有少許裂紋產(chǎn)生，由圖5(e)D區(qū)能譜數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)該處成分接近于Cu6Sn5，故判定其斷裂部位更加靠近界面 IMC位置，具有脆性斷裂的趨勢.由此可見隨著不同時間的時效處理后，斷裂面上的塑性變形特征越來越小，尤其是經(jīng)過300 h時效處理后，斷裂面局部出現(xiàn)脆性斷裂特征，甚至還有裂紋，經(jīng)過長時間的時效處理后，焊接接頭的斷裂方式從開始的韌性斷裂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫植看嘈詳嗔?接頭的斷裂部位未時效及時效初期均發(fā)生在焊料內(nèi)部，這是因為釬料的硬度比銅合金板材和IMC低造成的.由于界面IMC是一種脆性相，在長時間的時效過程中，其不斷長大增厚，必然會降低界面的結(jié)合強度，在界面應(yīng)力的作用下接頭斷裂趨勢也逐漸由焊料內(nèi)部向界面IMC處靠近，脆性斷裂趨勢增大，進而導(dǎo)致焊接接頭的剪切強度下降，斷裂形式也趨向于脆性斷裂，表明在脆性相IMC的生長和界面應(yīng)力增加的共同作用下促成了此結(jié)果.

圖5 時效不同時間的試樣的剪切斷面形貌照片F(xiàn)ig.5 SEM images of shear fracture surfaces of the joint after age different times

表1 圖5中C區(qū)和D區(qū)能譜數(shù)據(jù)Table 1 EDX data of shear fracture surfaces of C and D in Fig.5

2.2 釬焊接頭剪切強度的變化

將在160℃恒溫時效不同時間下的5組釬焊試樣分別在萬能拉伸試驗機上進行剪切實驗，測得其剪切強度的大小如表2所示.

表2中所列為其平均值.由表2數(shù)據(jù)可以很直觀地看出，時效初期至25 h接頭剪切強度逐漸增大的趨勢較為明顯，可以達到27.3 MPa，表現(xiàn)出相當好的焊接可靠性，25 h之后到時效300 h剪切強度逐漸下降，時效50 h之后，焊接接頭的剪切強度開始急劇減小，時效150 h以后接頭的剪切強度繼續(xù)減小，但減小的速度變緩;時效300 h之后，剪切強度值為22 MPa，焊接接頭的剪切強度比時效初期的值要小了很多.由于釬焊過程中液態(tài)釬料合金與銅合金基板之間原子相互擴散，在其界面處會形成一種金屬間化合物，釬焊后未時效之前這層金屬間化合物可以保證其有效的冶金連接.固態(tài)恒溫時效過程中，釬料合金原子和銅合金基板原子進一步相互擴散、相互反應(yīng)，界面處的金屬間化合物繼續(xù)生長，組織不斷粗化，直至達到一臨界值，這也驗證了時效初期至?xí)r效25 h左右其剪切強度會出現(xiàn)短暫的增大趨勢.但是由于金屬間化合物本身是一種脆性相，有削弱界面強度的趨勢，并且各處IMC的生長速度不盡相同，不均勻的生長速度造成界面應(yīng)力不斷增大，從而使得界面結(jié)合強度下降，焊點的剪切強度也就會隨著恒溫時效時間的增長而呈現(xiàn)出下降的趨勢.

表2 不同時效時間剪切強度值Table 2 Effect of aging time on shear strength

3 結(jié)論

引線框架用 Cu 0.38Cr 0.17Sn 0.16Zn/SnAgCu無鉛釬料釬焊搭接接頭時效25 h，接頭剪切強度可以達到將近27.3 MPa，表現(xiàn)出非常好的焊接可靠性.時效初期為發(fā)生在釬料內(nèi)部的韌性斷裂，隨著時效時間的增加，逐漸向發(fā)生在釬料與接頭界面之間的脆性斷裂轉(zhuǎn)變，時效至300 h后的試樣有微觀裂紋產(chǎn)生.本文為引線框架CuCrSnZn生產(chǎn)應(yīng)用、釬焊工藝參數(shù)優(yōu)化提供了理論依據(jù).

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