申忠科，董一鳴，劉思棟

（南京電子器件研究所，南京 210016）

LTCC 基板用金錫焊接中的焊料控制

申忠科，董一鳴，劉思棟

（南京電子器件研究所，南京 210016）

針對(duì)在 LTCC 基板與殼體大面積金錫焊接可能出現(xiàn)的焊料溢出和堆積問(wèn)題，提出了幾種針對(duì)性的開(kāi)槽或基板下沉控制焊料流淌的方法并進(jìn)行了討論。最終實(shí)現(xiàn)了無(wú)溢出焊接，X射線照片結(jié)果顯示基板和殼體焊合孔隙面積在 10%以內(nèi)。

金錫焊料；大面積焊接；焊料控制

1 引言

Au-Sn 是微電子封裝中廣泛使用的一種合金[1]，也是熔點(diǎn)在 300 ℃左右能替代含鉛釬料且焊接性良好的一種重要焊料[2]，尤其是 Au80Sn20 共晶焊料。它具有導(dǎo)熱性較好、熔點(diǎn)低、流動(dòng)性好、抗熱疲勞和蠕變性能優(yōu)良、強(qiáng)度高以及飽和蒸汽壓低等諸多優(yōu)點(diǎn)，隨著電子器件行業(yè)的迅速發(fā)展，其作用越來(lái)越突出，需求市場(chǎng)也在不斷擴(kuò)大。

采用 Au-Sn 焊時(shí)，一般器件或封裝殼體表面會(huì)首先鍍覆金層以利于焊料潤(rùn)濕。然而由于此焊料本身對(duì)Au的親和性好，釬焊加熱過(guò)程中鍍層的 Au會(huì)迅速進(jìn)入熔融焊料從而使其成分改變，進(jìn)而熔點(diǎn)迅速提升。如圖1 所示，以常見(jiàn)的 Ag72Cu28 共晶焊料為對(duì)比，Au80Sn20 在共晶點(diǎn)附近隨著 Au 成分的增加，熔點(diǎn)變化的曲線十分陡峭，而 Ag72Cu28 則相對(duì)平緩。一般而言，釬焊溫度在液相線溫度以上 30～50 ℃為宜，在Au-Sn 焊時(shí)，成分改變對(duì)熔點(diǎn)變化的影響更顯著，所以隨著Au的熔入，熔融合金熔點(diǎn)較易升高到釬焊溫度以上進(jìn)而凝固，表現(xiàn)為液相存在區(qū)間相對(duì)狹窄，而且流散性相對(duì)有限（易凝固堆積）。

在涉及到大面積焊接時(shí)，以基板在殼體上的焊接為例，采用 Au-Sn 焊時(shí)，考慮到其流散性，為了鋪滿整個(gè)基板底部區(qū)域，采用的焊料片往往只比基板尺寸略小，焊料量較多，無(wú)可避免會(huì)溢出。若是 Ag-Cu 焊時(shí)，焊料能大面積鋪展，影響相對(duì)較?。欢捎?Au-Sn 焊時(shí)焊料易堆積，堆積區(qū)域平面平整度變差，從而使得后續(xù)其他器件的貼裝難以進(jìn)行，必須避免。

本文研究了一類采用開(kāi)槽或基板下沉方式控制焊料溢出的方法。值得注意的是，在 GJB2440A-2006中一般要求散熱板等板材焊料外溢厚度不超過(guò) 0.25mm，實(shí)際在一些宇航級(jí)產(chǎn)品中更是要求焊料堆高小于0.05 mm。此外，還應(yīng)充分考慮焊后孔隙率是否滿足要求——對(duì)尺寸小的基板，平整度等影響小，孔隙率一般要求在 15%以內(nèi)；而對(duì)本文中面積較大基板的普遍標(biāo)準(zhǔn)是孔隙率要在 25%以下。

圖1 兩種共晶焊料二元相圖[3]

2 焊料調(diào)節(jié)槽的設(shè)計(jì)

要對(duì) Au-Sn 焊料進(jìn)行控制，首先要從其潤(rùn)濕和鋪展行為上進(jìn)行分析。就潤(rùn)濕而言，Au-Sn 焊料與殼體結(jié)構(gòu)鍍金層有良好的互熔特性，所以潤(rùn)濕性相對(duì)良好。鋪展則由于存在前文所述的Au溶解以及顯著的熔點(diǎn)提升所以有局限。圖2是一類基板分別采用厚度為0.075 mm 和 0.05 mm 焊料片在殼體底部平面焊后，焊料溢出的情況 (為定位方便基板對(duì)應(yīng)殼體區(qū)域上挖了尺寸比基板略大、深度 0.2 mm 的鑲嵌槽，基板規(guī)格約35 mm×45 mm)?？梢?jiàn)前者焊料溢出和堆積非常嚴(yán)重，后者雖然明顯改善，但是多余焊料依舊溢出，并呈圓斑狀堆積(實(shí)測(cè)高度可能達(dá)到 0.1 mm 以上)。實(shí)際生產(chǎn)中，基板本身有翹曲，殼體也有平面度限制，繼續(xù)減小焊料厚度會(huì)增加虛焊風(fēng)險(xiǎn)，而且也依舊難以保證焊料不溢出和堆積，所以需要設(shè)計(jì)合理的焊料調(diào)節(jié)槽進(jìn)行控制。

圖2 焊料量對(duì)溢出的影響

在焊料鋪展過(guò)程中，熔融焊料與鋪展固態(tài)面間潤(rùn)濕并產(chǎn)生彎曲液面，由 Young-Laplace 方程可知，彎曲液面引入附加壓力，具體值為：

式中 P為彎曲液面兩側(cè)附加壓力差，σ 為液體表面張力，R1和 R2分別為曲液面兩個(gè)垂直方向的曲率半徑，如圖3（a）所示。

彎曲的焊料液面成為了焊料鋪展的推動(dòng)力。假設(shè)將無(wú)限大的兩個(gè)平板間隔很小地垂直插入焊料液面，如圖3（b）所示，則液面由于附加壓力作用會(huì)抬升，直至與液體重力達(dá)到靜力平衡，在任一時(shí)刻：

式中 ΔP 為附加壓力與重力之差，ρ為液體密度，y為任意時(shí)刻提升高度，θ為接觸角，a 為平板間隙，g 為重力加速度。

當(dāng) ΔP=0 時(shí)，焊料液面提升最大高度：

式（4）為水平放置的平板中液體流動(dòng)速度方程，式中 v 為液體速度，a 為平板間隙，η 為液體粘度，如圖3（c）所示。

由于水平狀態(tài)沒(méi)有重力，焊料流動(dòng)只受彎曲液面

實(shí)際液體在流動(dòng)中還受到粘滯阻力影響，而且焊料鋪展更是在水平條件下進(jìn)行，假設(shè)只考慮內(nèi)摩擦阻力，則可參考流體力學(xué)中平板層流定常流動(dòng)的速度大小隨高度變化方程：附加壓力的推動(dòng)，且此壓力值恒定，則式(4)中的 dP/dx1即相當(dāng)于式(2)中消去重力后的值 2σcosθ/a，此值代入式(4)中，可求出 y1=a/2 時(shí)有最大速度值：

則以式(5)的最大速度作為焊料鋪展速度，得到填縫長(zhǎng)度L與時(shí)間的關(guān)系：

式（6）可以解釋焊料填縫過(guò)程：式（3）決定了液體焊料填縫高度，若水平焊縫寬度大于最大填縫高度，則液體不能完成爬升，也無(wú)法在兩個(gè)面之間構(gòu)成曲液面從而促進(jìn)潤(rùn)濕鋪展；式（6）決定了鋪展面積，對(duì)同種焊料，理論上焊縫間隙越大，因流體粘滯力造成的損耗越小，鋪展速度和單位時(shí)間內(nèi)鋪展面積都較大（焊料充足的情況下）。所以焊縫間隙要在填縫高度和填縫能力之間綜合考慮。

綜上所述，本文構(gòu)造了一類 V 型槽，這類槽下端間隙小，毛細(xì)作用強(qiáng)烈，鋪展推動(dòng)力較大，能較好地推動(dòng)焊料流動(dòng)，從而防止堆積，即使溢出量較少也能產(chǎn)生作用；而上端間隙較大，即使某處大量溢出也能保證導(dǎo)流速度，相對(duì)于等寬槽更能兼顧毛細(xì)流動(dòng)與焊料的容納量。

圖3 毛細(xì)作用示意圖[4]

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

本文采用的材料包括：AlSi50 板，開(kāi)槽后進(jìn)行鍍覆，具體為鍍 Ni約 2 μm，再鍍 Au 約 2 μm，平面度實(shí)測(cè)在 0.03 mm 以內(nèi)，表面粗糙度 3.2 μm 以內(nèi)，基板在其上焊接；LTCC 基板，待焊面的共燒金層厚度約 8μm，平面度實(shí)測(cè)在 0.06 mm 以內(nèi)，表面粗糙度 3.2 μm 以內(nèi)；金錫焊料，成分為 Au80Sn20，片狀。

3.1 開(kāi)槽形式

AlSi50 板需開(kāi)的 V 型槽開(kāi)角為 30°，采取了四種不同的 V 型槽分布形式，如圖4 所示，表1 則為具體開(kāi)孔形式說(shuō)明。

圖4 不同控制槽分布形式

表1 開(kāi)槽形式說(shuō)明表

表1 中內(nèi)槽型指開(kāi)槽形狀如同“王”字、處于相對(duì)基板中間區(qū)域的槽；外圍型指沿著基板輪廓、V 開(kāi)口上端設(shè)計(jì)尺寸一半暴露在外另一半在基板底部的整圈閉合的開(kāi)槽。

3.2 焊接工藝

試驗(yàn)采用焊料厚度為 0.05 mm，設(shè)計(jì)尺寸比基板輪廓整個(gè)邊沿內(nèi)縮 0.1 mm，按如下工藝進(jìn)行焊接：

（1）焊接前，將平板、Au-Sn 焊料以及基板在石墨板上依次疊放，在顯微鏡下?lián)苷鄬?duì)位置，注意焊料不要超出V型槽或下沉最外邊沿；

（2） 在基板上中心位置置一重約 50 g 的重塊，壓住以防止周轉(zhuǎn)過(guò)程中基板和焊料移動(dòng)；

（3）端取石墨板，將整個(gè)待焊結(jié)構(gòu)放入釬焊爐中，設(shè)置溫度曲線為 250 ℃以下升溫速率 10 ℃/min，至250 ℃保溫 1 min 后，5 ℃/min 升至 335 ℃保溫 3 min后，爐冷至室溫取樣。

3.3 形貌觀察

采用上述工藝焊接，分別對(duì)四種狀態(tài)形貌進(jìn)行考察，形貌如圖5所示。

圖5 不同開(kāi)槽方式對(duì)應(yīng)的焊料控制效果

由圖5 可以看出，類型 4 相對(duì)于圖2（b），焊料溢出和堆積都有減少；其次是類型 1，類型 2 和類型 3 則基本無(wú)焊料外溢，原因如下：

（1）類型 4 相對(duì)于未開(kāi)槽狀態(tài)，V 型槽起到有效作用，承擔(dān)了部分焊料的分流，但槽深有限，所以容納焊料量有限，依舊有溢出；

（2）類型 1 采用的“王”字型結(jié)構(gòu)，且槽深度為0.5 mm，V 槽可容納焊料量進(jìn)一步增加，所以溢出也進(jìn)一步減少；

（3）類型 3 為平板無(wú)下沉、四周開(kāi)一圈深度 0.5 mm槽的結(jié)構(gòu)，V 槽總長(zhǎng)相對(duì)于“王”字型結(jié)構(gòu)更大，所以容納能力比類型1更強(qiáng)，也表現(xiàn)出更好的形貌。此處邊沿略微有溢出，但沒(méi)有明顯堆積，應(yīng)當(dāng)為前期焊料被迅速擠出過(guò)焊料槽，而多余焊料最終仍被V槽導(dǎo)流吸回留下的痕跡；

（4）對(duì)比類型 3 和類型 4，類型 4 下沉 0.2 mm 的側(cè)壁與基板間也構(gòu)成了一道槽，加上 V 槽自身 0.3 mm，實(shí)際焊料容納量不比類型 3 小，但溢出卻嚴(yán)重很多，說(shuō)明V槽是一類很有效果的焊料控制；

（5）類型 2 外觀最為美觀，同時(shí)開(kāi)槽長(zhǎng)度也最大。對(duì)其進(jìn)行 30倍的局部放大觀察可以看出，外輪廓 V槽明顯有焊料流動(dòng)痕跡，槽中焊料前端和上表面都呈現(xiàn)曲液面。某些段V槽幾乎被填滿也沒(méi)有溢出，應(yīng)當(dāng)是大量擠出焊料被導(dǎo)流的結(jié)果，也說(shuō)明了V槽的效果。

3.4 X 射線分析

對(duì)基板焊接質(zhì)量的另一項(xiàng)重要內(nèi)容是焊后孔隙面積，焊接孔隙面積過(guò)大，對(duì)基板焊合強(qiáng)度和散熱指標(biāo)都十分不利。為此對(duì)上述不同類型開(kāi)槽板焊后進(jìn)行了X射線分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同開(kāi)槽方式焊后X射線照相

從上述結(jié)果可以看出，類型2和類型3相對(duì)存在的孔隙較多，分別達(dá)到 4.07%和 7.91%，因?yàn)榇藭r(shí)兩者開(kāi)槽能容納焊料量多，在焊料不能填滿槽的情況下，部分氣體不能排除形成釬焊中典型的“小包圍”[5]結(jié)構(gòu)從而造成了孔隙。但這類孔隙面積都在 10%以下，能滿足正常需求。此外，類型 2 邊緣無(wú)焊料溢出，類型 3溢出堆高實(shí)測(cè)在 0.01 mm 以內(nèi)，也符合宇航級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。從類型4結(jié)果可以明顯看出V槽已經(jīng)整個(gè)填滿，焊料不可能整圈溢出，所以只能是自身流動(dòng)作用，證明了V槽良好的導(dǎo)流效果；類型2中存在細(xì)碎孔洞，同時(shí)V槽也有大量未填充滿的空白，說(shuō)明即使V槽在設(shè)計(jì)容納量明顯偏大的情況下，也不會(huì)導(dǎo)致焊料量不足。這是因?yàn)榈锥嗣?xì)作用較強(qiáng)的部位在首先被填充后，剩下V槽較寬的上端相對(duì)于基板和底部構(gòu)成的水平槽不存在較大的毛細(xì)優(yōu)勢(shì)，所以最終形成了某種平衡狀態(tài)，不會(huì)源源不斷吸引焊料造成空隙增大。

4 結(jié)論

采用一類基板焊接區(qū)四周整圈開(kāi)V型槽或者整圈及內(nèi)部都開(kāi)V型槽兩種形式，可以有效避免基板大面積焊中的焊料溢出和堆積，焊后孔隙率在 10%以內(nèi)，能較好避免焊后因焊料堆積造成的裝配失效，也大大提高了焊后處理的效率。

[1]王濤.金錫焊料低溫焊料焊工藝控制[J].集成電路通訊，2005，23(3):8-11.

[2]劉澤光，陳登權(quán)，等.微電子封裝用金錫合金釬料[J].貴金屬，2005，26(1):62-65.

[3]D AW Jr,W J Krafick.The spreading kinetics of Ag-28Cu (L)on nickel(S):Part II.Area of spread on surfaces plated with electrolytic Ni[J].Journal of Materials Research,1996, 11(8):1897-1916.

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The Controlling of Soldering in LTCC Substrate Au-Sn Soldering

SHEN Zhongke,DONG Yiming,LIU Sidong
（Nanjing Electronic Devices Institute,Nanjing 210016,China）

The paperfocuses on solving the problem ofoverflow and heap ofsoldering when a kind of Au-Sn alloy isused in large area LTCCsoldering.Some kinds ofmethodslike recessing ceramic waferand slotting are used.Aftersome experimentsand research,the method can wellavoid the soldering heaping.The X-Ray Photos also show thatthe void rate ofsoldering area isbelow 10%.

Au-Sn soldering;large area soldering;controltechnology ofsoldering

TN325+.3

A

1681-1070 （2017）06-0001-04

申忠科（1991—），男，碩士，主要從事金屬-玻璃外殼封裝工藝的研究工作。

2017-3-8