海 洋

（中國電子科技集團(tuán)公司第10研究所，成都 610036）

1 引言

微波毫米波組件的氣密封裝一直是要求非常高的一項(xiàng)工藝技術(shù)，且封裝氣密性是最重要的可靠性指標(biāo)之一。目前，在該領(lǐng)域里，常用的氣密封裝技術(shù)除了電阻焊（如平行縫焊）和激光縫焊之外，其他主要為釬焊密封。電阻焊大多屬于自動(dòng)或半自動(dòng)密封焊接，而釬焊密封則非常適合手動(dòng)操作，且主要針對不規(guī)則、難度較大的焊接。工業(yè)上，常用的釬焊焊料主要為：Au20Sn（280 ℃），因其密封性能和耐高溫性能好，在微波毫米波模塊階梯焊接工藝中常被使用[1]。然而，Au20Sn熔點(diǎn)高不利于混裝工藝，成本也高[2]，代價(jià)太大，若能夠找到熔點(diǎn)溫度相對較低且具有與金錫合金性能相同或相近的廉價(jià)共晶焊料作為替代品就完美了。有研究[3～8]發(fā)現(xiàn)熔點(diǎn)在217～221 ℃，具有與金錫合金某些類似性能的錫銀系合金非常適合用作密封焊料。尤其是錫銀系三元合金焊料SAC（Sn-Ag-Cu）是目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界一致看好的無鉛焊料[9]。為此，本文選用了與SAC類同的Indium8.9 T3-83.5% Sn3.5Ag合金焊料作為研究對象。該焊料的共晶溫度為221 ℃，遠(yuǎn)低于Au20Sn的共晶溫度280 ℃，且又高于Sn37Pb的183 ℃，因此從數(shù)據(jù)上看Sn3.5Ag不僅適合于混裝工藝要求，而且也非常適合作為金錫氣密封焊的補(bǔ)充。此外，本文還將Sn3.5Ag（221 ℃）和Cu80W鍍金底板及柯伐鍍金圍框作為工藝試驗(yàn)組件，目的為通過開展可焊性試驗(yàn)以驗(yàn)證該焊料的焊接性能。同時(shí)開展圍框與鎢銅底板的焊接試驗(yàn)，以驗(yàn)證焊料焊接后的致密性，從而為該焊料的批量應(yīng)用奠定理論研究基礎(chǔ)。整個(gè)試驗(yàn)過程按照研究的先后順序進(jìn)行，即可焊性試驗(yàn)—焊接試驗(yàn)—焊接后的檢測試驗(yàn)—研究結(jié)論。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 可焊性試驗(yàn)

試驗(yàn)方法：在Cu80W底板鍍金層上進(jìn)行，假設(shè)鍍金層是絕對均勻的，采用電鍍鍍鎳鍍金工藝，鍍金層厚度為 0.3 μm～0.5 μm，鍍鎳層厚度 0.7 μm，用于試驗(yàn)的Sn3.5Ag（221 ℃）Indium8.9 T3-83.5%焊料焊膏形態(tài)一致，均為針管狀，并從針管處擠出。用于焊接試驗(yàn)的焊膏所取質(zhì)量為0.07 g左右。試驗(yàn)時(shí)，將所取焊料放置在Cu80Wu底板上（焊膏使用方法按照文中2.2節(jié)所述進(jìn)行），在270 ℃焊接溫度下熔化后，觀察焊料的鋪展性及在鍍金層上的形態(tài)。

圖1 Sn3.5Ag焊膏

圖2 Sn3.5Ag鋪展結(jié)果（酒精清洗后）

2.2 焊接試驗(yàn)

焊接前準(zhǔn)備：將焊膏從專用冷藏冷凍冰箱中取出，在室溫下放置120 min，觀察焊膏形態(tài)，呈現(xiàn)與常溫狀態(tài)一致即可。清洗柯伐鍍金圍框及Cu80W底板等，清除表面污垢、印跡，注意不能傷及鍍金層及其他焊接部位。操作過程中應(yīng)戴好指套。清洗時(shí)，使用無水酒精、脫脂棉球、手術(shù)刀及鎢針等工具進(jìn)行操作，焊膏從針管中擠出后，應(yīng)該放置在干凈的玻璃皿上。

2.3 涂敷焊膏

焊膏涂抹均勻，厚度控制在0.5～1.0 mm之間。焊接溫度參照表1。

表1 焊接溫度表

圖3 焊接組件

如圖3所示，A、B兩個(gè)柯伐鍍金圍框通過Sn3.5Ag焊接在鍍金Cu80W底板上，形成Sn3.5Ag的密封焊接，而后續(xù)檢測及分析工作則圍繞該焊接樣件進(jìn)行。

經(jīng)過噴氦檢漏后，發(fā)現(xiàn)A、B兩個(gè)圍框的漏率均滿足＜ 10-8（Pa·m3）/s的要求。

3 X-ray檢測

3.1 被檢測件

檢測位置如圖4所示。

圖4 檢測位置

3.2 檢測方法及依據(jù)

依據(jù)GJB 548B-2005微電子器件試驗(yàn)方法和程序2012.1 X射線照相，對樣品指定的位置進(jìn)行X-Ray檢查，X-Ray的檢查區(qū)域主要為圖4所示的圍框A和圍框B區(qū)域。

3.3 檢測結(jié)果分析

利用FXS-160.40X射線系統(tǒng)檢測設(shè)備對縫焊后的圍框樣件焊接層進(jìn)行了檢測，檢測后沒有發(fā)現(xiàn)虛焊、裂紋等缺陷，如圖5和圖6，但會有如圖7所示的空洞。經(jīng)檢測焊接后的A、B圍框的空洞率低于5%。

圖5 圍框A的X-ray檢測結(jié)果

圖6 圍框B的X-ray檢測結(jié)果

圖7 焊接空洞

4 切片檢測及SEM掃描

4.1 檢驗(yàn)樣件

參考GJB362B-2009、GJB548B-2005標(biāo)準(zhǔn)，將樣品用環(huán)氧樹脂鑲嵌后進(jìn)行研磨拋光，直到劃痕和污斑消失，微蝕漂洗干凈后，在金相顯微鏡下觀察檢查并用SEM測量IMC層厚度。

圖8 切片樣件

4.2 檢驗(yàn)環(huán)境及方法

溫度 25～26 ℃，濕度 58%RH～60%RH。

試驗(yàn)方法參照：（1）GJB548B-2005微電子器件試驗(yàn)方法和程序方法2018.1 SEM檢查；（2）GJB 362B-2009 剛性印制板通用規(guī)范4.8.3顯微剖切檢驗(yàn)。

4.3 切片檢測結(jié)果分析

圖9～圖12所示為樣品剖切面示意圖，從圖中可以清楚地看到Sn3.5Ag在圍框與Cu80W鍍金底板之間形成了一層非常致密且均勻的焊錫層，再配合X-ray焊透率檢測結(jié)果，可以說明樣件采用Sn3.5Ag封焊的效果比較好。

圖9 剖切面

圖10 圍框局部放大

圖11 剖切面

圖12 圍框局部放大

但是從圖中也可以看到在堆積起的焊料內(nèi)部，會有若干黑色的“圓點(diǎn)”，這些“圓點(diǎn)”其實(shí)是空洞?？斩词紫葧Ψ夂傅臍饷苄栽斐蓢?yán)重的影響。其次會對焊接的強(qiáng)度及可靠性產(chǎn)生較深遠(yuǎn)的影響，倘若在高溫高濕的環(huán)境條件下，焊料抵抗疲勞的能力急速下降，空洞所產(chǎn)生應(yīng)力極有可能導(dǎo)致焊料疲勞失效。

5 IMC厚度測量

Sn3.5Ag在柯伐鍍金圍框與Cu80W鍍金底板之間焊接時(shí)，會發(fā)生界面反應(yīng)形成金屬間化合物，即IMC。通常認(rèn)為IMC量過大、過厚、不均勻?qū)附拥目煽啃圆焕鸞10～11]。所以文中最后還對IMC厚度進(jìn)行了測量，并在圖13中展示了樣件的IMC界面。同時(shí)在表2中列出了圍框A中形成的IMC若干點(diǎn)的厚度值。

圖13 焊料層及IMC層

表2 IMC厚度測量結(jié)果

6 結(jié)論

本文采用了Sn3.5Ag（221 ℃）Indium8.9 T3-83.5%的焊膏，首先做了鋪展試驗(yàn)，然后又開展了圍框的密封焊試驗(yàn)，最后對焊接后的樣件做了X-ray焊透率及焊接層面微觀檢測分析并測量了IMC厚度。研究結(jié)果表明：

（1）Sn3.5Ag焊料的鋪展性好，這與Indium公司產(chǎn)品所述性能一致；

（2）在X光透射下柯伐鍍金圍框的空洞率低于5%；

（3）對樣件切片后，可以觀察到Sn3.5Ag在鍍金層上形成的焊料層均勻且非常致密，只是焊料內(nèi)部的空洞會嚴(yán)重影響焊接的密封性和可靠性；

（4）拿圍框A做厚度檢測，發(fā)現(xiàn)IMC厚度最大為 1.64 μm，最小為 0.37 μm。

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