北方工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院電子工程系 周圣淏 任 毅 王欣宇 劉 銳 鞠家欣 李昊晨 張 靜

無鉛焊料是不含鉛或含鉛量極少的一種焊料的統(tǒng)稱，以Sn為主要的組成成分，向其中加入Ag，Cu等金屬元素。在無鉛材料中，Sn-Ag-Cu無鉛焊料是公認(rèn)的最優(yōu)秀的無鉛焊料，無鉛焊料中鉛元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)極低，基本在0.02%-0.1%之間共晶Sn-Ag-Cu系無鉛焊料在凝固過程中產(chǎn)生粗大的Ag3Sn、Cu6Sn5金屬間化合物（IMC）。

由于在金屬間化合物生長的過程中，界面附近的原子會發(fā)生穿過界面的互擴散，而不同原子擴散速度不同，使原子內(nèi)部容易出現(xiàn)原子偏聚，可肯達(dá)爾空洞等缺陷，降低界面可靠性，導(dǎo)致電子元器件互聯(lián)失效，使金屬間化合物成為影響電子封裝中可靠性的重要因素之一。但環(huán)保材料也同樣會帶來一系列的問題，在電子封裝失效中，互連焊點的剝離，脫落，開裂等失效是主要的原因，而且焊點處脆性的金屬化合物極易發(fā)生過度生長，影響器件性能，解決焊點優(yōu)化問題已經(jīng)成為了電子封裝領(lǐng)域的重點問題。

1 實驗

本實驗用切絲重熔法這一方法來制備SAC305無鉛焊料小球。將需要用的釬料制作成細(xì)絲，為了讓每一小段合金絲融化并通過表面張力凝固成為無鉛焊料小球，將細(xì)絲剪切為均勻的小段并放在熱油中，最后得到滿足要求的無鉛焊料小球。

第二步使用回流焊將焊錫小球連接在鐵氧體基體上：將焊球植于助焊膏/乙醇溶液上，放入設(shè)備回流，設(shè)定焊點形成溫度為260℃。使用微機控制電子萬能拉伸試驗機對形成的焊球進(jìn)行剪切強度的測試，控制推頭剪切速率，測量2～3個相同條件下的焊球樣品的最大剪切力，并取平均值，得到剪切強度。

之后，在四組鐵氧體基體上通過磁控濺射鍍制相同的金屬粘附層，本文使用的是Au。四組焊點的形成溫度分別為：第一組：260℃；第二組：270℃；第三組：280℃；第四組：290℃。

切絲重熔法制備焊料小球需要把無鉛焊絲剪切成小段投入熱油中，放入無鉛焊料小段時要有時間上的間隔，目的是為了防止無鉛焊料小段熔化時粘在一塊兒。等全部小球都落在球閥相應(yīng)的位置上時收集小球。然后篩選焊球，把尺寸過大和過小的無鉛焊球都排除出去，把尺寸合適、大小均勻的無鉛焊球收集在一起。最后進(jìn)行清洗與干燥。焊球清洗一般在超聲波清洗儀中用丙酮或酒精來清洗合格的焊球。本實驗所制的SAC305無鉛焊料小球的直徑為0.76mm。

鍍制鐵氧體基體上的粘附層采用的是磁控濺射的方法。磁控濺射技術(shù)是物理氣相沉積（PVD）的一種；可以用于制備絕緣體、金屬、半導(dǎo)體等多種基體材料。磁控濺射技術(shù)所沉積的薄膜的膜層粘附力強、鍍膜面積大，而且磁控濺射機的設(shè)備的操作方法相對簡單、容易操控；同時，磁控濺射技術(shù)也擁有速度快、溫度低、損傷小的特性。

在外加電場的控制下，陰極所發(fā)射的電子在向需要濺射的基體飛行的過程中，與飛行路徑上的氬氣原子發(fā)生碰撞，使氬氣原子發(fā)生電離，產(chǎn)生氬離子與新的電子，氬離子在電場的加速下向金屬靶材飛去，而新產(chǎn)生的電子則飛向需要濺射的基體；氬離子由于飛行速度極快，所以具有極高的能量，并以此能量來轟擊金屬靶材的表面，這使金屬靶材表面的金屬原子離開器表面，發(fā)生濺射；在這些被濺射出來的粒子之中，中性的靶材原子或分子會沉積在鐵氧體基體上并形成金屬薄膜，也就是本實驗所需的金屬粘附層，產(chǎn)生二次電子則會在電場與磁場的共同作用下發(fā)生電子漂移并且會被束縛在靶材表面附近的等離子體區(qū)域，使該區(qū)域內(nèi)的氬氣原子繼續(xù)發(fā)生電離，并生成更多的氬離子，用來轟擊金屬靶材，這就使沉積的速率得到了提高。

每次使用磁控濺射機鍍制金屬黏附層時，都需要進(jìn)行抽真空操作，這主要是為了保證所鍍制的金屬粘附層達(dá)到需要的厚度及平整度，根據(jù)所需的厚度與平整度的不同，需要的真空度也不同，膜層厚度越厚，抽真空的時間越長。

本實驗通過磁控濺射技術(shù)分別在鐵氧體基體表面鍍制了Al、Cr、Au、Ag、Cu金屬粘附層，其厚度均為100nm，抽真空時間統(tǒng)一為10min。

SAC305無鉛焊料小球的回流焊接是先將所需焊接的貼裝或插裝器件依照器件、焊料、基體的順序由上到下放置好；然后進(jìn)行回流，設(shè)置溫度。焊料發(fā)生融化后會通過自對準(zhǔn)效應(yīng)將器件拉到正中的位置，自對準(zhǔn)效應(yīng)主要就是液態(tài)焊料通過自身表面張力來拖拽浮于其上的器件以使自身的力達(dá)到平衡。調(diào)整完成后，回流焊進(jìn)入降溫段，當(dāng)溫度降到一定程度時發(fā)生凝固，其上的器件就被固定到了基體上?；亓骱钢饕譃橐韵聨撞剑旱谝徊?，預(yù)置焊膏。這一步主要的為了增大焊球與鍍制了金屬粘附層的基體的潤濕性，同時也是焊球穩(wěn)定的待在基體上；第二步，放置焊球。本實驗使用的方法為手工放置，通過鑷子夾持焊球，并放置在預(yù)置了助焊膏的區(qū)域；第三步，回流焊。這一步優(yōu)先需要在控制軟件內(nèi)設(shè)置各溫區(qū)的溫度以及各溫區(qū)的停留時間，這是為了達(dá)到所需的回流曲線。

對于回流焊接來說，一個非常重要的元素就是回流曲線，回流焊最后焊成的成品的質(zhì)量好壞，在很大程度上取決于回流曲線的設(shè)計，回流曲線如果設(shè)計的不合適，就會使焊成的元器件出現(xiàn)焊接缺陷，使器件的性能受到影響，甚至是失效。而在回流曲線中有兩個十分重要的參數(shù)——峰值溫度與液相線以上停留的時間，這兩個參數(shù)確定了一個回流曲線是否合適。理論回流曲線如圖1所示。

圖1 理論回流焊曲線

本實驗在不同的金屬粘附層部分設(shè)置的峰值溫度統(tǒng)一為260℃，并且在SAC無鉛焊料小球的液相線（218℃）以上停留時間統(tǒng)一為100s。在不同焊點形成溫度部分分成4組，其設(shè)置的峰值溫度分別為260℃、270℃、280℃、290℃，液相線以上停留時間統(tǒng)一為100s。實際回流曲線如圖2所示。

圖2 實際回流焊曲線

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 測試方法

本實驗采用推球?qū)嶒灉y試SAC305無鉛焊料小球在不同金屬粘附層上的剪切強度。推球?qū)嶒灥闹饕硎峭ㄟ^橫向平移的推頭以均勻的速度去推焊接完成的無鉛焊料小球。這里需要先將焊好的樣品固定在卡具上；固定完成后，調(diào)整推頭的縱向位置，使推頭端部略微超過無鉛焊料小球的橫向半徑最大處，其目的是使推頭端部，能夠無鉛焊料小球的橫向半徑最大處，在進(jìn)行推球試驗的時候，才能得到相對準(zhǔn)確的數(shù)值。在推球過程中需要保證推頭移動速度均勻，因為推球的速度越大，其在接觸到無鉛焊料小球的時候，其動能所轉(zhuǎn)化的能量就越大，所以不同的推球速率得到的推力數(shù)值也不一樣。

2.2 測試結(jié)果

通過計算三個樣品剪切強度的平均值，得出Al粘附層對SAC305無鉛焊料小球的剪切強度為26MPa。Al在室溫下就能夠與氧氣反應(yīng)。如表1所示。

表1 Al層對SAC305小球的剪切強度

該反應(yīng)發(fā)生的速度極快，即使用砂紙打磨掉表面的氧化膜后，新的氧化膜也會迅速長出，這會阻礙粘附層與無鉛焊料小球的結(jié)合。如表2所示。

表2 Cr層對SAC305小球的剪切強度

通過計算三個樣品剪切強度的平均值，得出Cr粘附層對SAC305無鉛焊料小球的剪切強度為25.7MPa。如表3所示。

表3 Cu層對SAC305小球的剪切強度

通過計算三個樣品剪切強度的平均值，得出Cu粘附層對SAC305無鉛焊料小球的剪切強度為34MPa。在此次實驗中，Cu粘附層在進(jìn)行無鉛焊料小球的回流焊時，爐內(nèi)存在氧氣與水蒸氣，使Cu與二者發(fā)生氧化反應(yīng)得到的Cu2(OH)2CO3為藍(lán)綠色固體，其存在會使Cu層與無鉛焊料小球的之間的結(jié)合力減弱。如表4所示。

表4 Ag層對SAC305小球的剪切強度

通過計算三個樣品剪切強度的平均值，得出Ag粘附層對SAC305無鉛焊料小球的剪切強度為51.3MPa。如表5所示。

表5 Au層對SAC305小球的剪切強度

通過計算三個樣品剪切強度的平均值，得出Au粘附層對SAC305無鉛焊料小球的剪切強度為73.7MPa。

本實驗用過電子萬能拉伸試驗機的推球試驗功能來測試所焊的SAC305無鉛焊料小球在不同的焊點形成溫度的情況下在鍍制Au膜的鐵氧體基體上的剪切強度。具體數(shù)值如表6所示。

表6 不同焊點形成溫度對SAC305小球的剪切強度

繪制曲線圖如圖3所示。

圖3 焊點溫度對SAC305小球剪切強度趨勢圖

3 實驗結(jié)果與結(jié)論分析

通過上文關(guān)于不同粘附層對SAC305無鉛焊料小球剪切強度的影響與不同焊點形成溫度對SAC305無鉛焊料小球剪切強度的影響的探究，對于實驗所得數(shù)據(jù)以及在實驗過程之中所出現(xiàn)的現(xiàn)象的分析，得到如下結(jié)論：（1）通過比較不同金屬粘附層對SAC305無鉛焊料小球的剪切強度，得出結(jié)論：剪切強度Au層>Ag層>Cu層>Cr、Al層；（2）Au層效果最好的原因為，Au層在回流焊時沒有明顯的氧化反應(yīng)，表面無致密的氧化層以阻礙焊接進(jìn)行；而且Au與Sn的潤濕性良好，能夠良好的與Sn結(jié)合；除此之外，Sn與Au的界面面積較大，所以結(jié)合效果好；（3）而同樣與Sn潤濕性良好的Ag與Cu，效果不如Au的原因為Ag在回流焊過程中會出現(xiàn)過度的焊球融化，這種現(xiàn)象主要是由于Ag與Sn的潤濕性好，但是因為在回流焊過程中回流曲線設(shè)計的不恰當(dāng)，導(dǎo)致SAC305焊球在液相線以上停留時間過長所導(dǎo)致的，這需要通過調(diào)整工藝參數(shù)來實現(xiàn)正確的焊接；（4）Cu層在回流焊時發(fā)生了大面積的氧化現(xiàn)象，這是因為焊接時無法控制回流焊爐內(nèi)的氣氛導(dǎo)致的，本實驗由于設(shè)備無法控制內(nèi)部氣氛，焊接時不可避免的會有氧氣、水蒸氣、二氧化碳?xì)怏w的混入，得到的Cu2(OH)2CO3為藍(lán)綠色固體，所以Cu層對SAC305無鉛焊球的剪切強度不如Au層與Ag層；（5）Al層與Cr層由于本身極易氧化，所產(chǎn)生的氧化層會阻礙粘附層與無鉛焊料小球的結(jié)合。Cr層在焊接的過程中也會與焊接氣氛中的某些氣體發(fā)生氧化還原反應(yīng)使得Cr被氧化。二者表面附著由致密的氧化層，阻礙了焊接反應(yīng)的進(jìn)行，所以得到的剪切強度最差。