不同金屬黏附層對無鉛焊料SAC305剪切強度的影響

北方工業大學信息學院電子工程系 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無鉛焊料是公認的最優秀的無鉛焊料，無鉛焊料中鉛元素的質量分數極低，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生穿過界面的互擴散，而不同原子擴散速度不同，使原子內部容易出現原子偏聚，可肯達爾空洞等缺陷，降低界面可靠性，導致電子元器件互聯失效，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生過度生長，影響器件性能，解決焊點優化問題已經成為了電子封裝領域的重點問題。

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，放入設備回流，設定焊點形成溫度為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。磁控濺射技術是物理氣相沉積（PVD）的一種；可以用于制備絕緣體、金屬、半導體等多種基體材料。磁控濺射技術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備的操作方法相對簡單、容易操控；同時，磁控濺射技術也擁有速度快、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生碰撞，使氬氣原子發生電離，產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，產生二次電子則會在電場與磁場的共同作用下發生電子漂移并且會被束縛在靶材表面附近的等離子體區域，使該區域內的氬氣原子繼續發生電離，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，都需要進行抽真空操作，這主要是為了保證所鍍制的金屬粘附層達到需要的厚度及平整度，根據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；然后進行回流，設置溫度。焊料發生融化后會通過自對準效應將器件拉到正中的位置，自對準效應主要就是液態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到平衡。調整完成后，回流焊進入降溫段，當溫度降到一定程度時發生凝固，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，并放置在預置了助焊膏的區域；第三步，回流焊。這一步優先需要在控制軟件內設置各溫區的溫度以及各溫區的停留時間，這是為了達到所需的回流曲線。

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量好壞，在很大程度上取決于回流曲線的設計，回流曲線如果設計的不合適，就會使焊成的元器件出現焊接缺陷，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——峰值溫度與液相線以上停留的時間，這兩個參數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置的峰值溫度統一為260℃，并且在SAC無鉛焊料小球的液相線（218℃）以上停留時間統一為100s。在不同焊點形成溫度部分分成4組，其設置的峰值溫度分別為260℃、270℃、280℃、290℃，液相線以上停留時間統一為100s。實際回流曲線如圖2所示。

圖2 實際回流焊曲線

2 實驗結果及分析

2.1 測試方法

本實驗采用推球實驗測試SAC305無鉛焊料小球在不同金屬粘附層上的剪切強度。推球實驗的主要原理是通過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，在進行推球試驗的時候，才能得到相對準確的數值。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，其動能所轉化的能量就越大，所以不同的推球速率得到的推力數值也不一樣。

2.2 測試結果

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。如表1所示。

表1 Al層對SAC305小球的剪切強度

該反應發生的速度極快，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粘附層在進行無鉛焊料小球的回流焊時，爐內存在氧氣與水蒸氣，使Cu與二者發生氧化反應得到的Cu2(OH)2CO3為藍綠色固體，其存在會使Cu層與無鉛焊料小球的之間的結合力減弱。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 實驗結果與結論分析

通過上文關于不同粘附層對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，對于實驗所得數據以及在實驗過程之中所出現的現象的分析，得到如下結論：（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，表面無致密的氧化層以阻礙焊接進行；而且Au與Sn的潤濕性良好，能夠良好的與Sn結合；除此之外，Sn與Au的界面面積較大，所以結合效果好；（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過度的焊球融化，這種現象主要是由于Ag與Sn的潤濕性好，但是因為在回流焊過程中回流曲線設計的不恰當，導致SAC305焊球在液相線以上停留時間過長所導致的，這需要通過調整工藝參數來實現正確的焊接；（4）Cu層在回流焊時發生了大面積的氧化現象，這是因為焊接時無法控制回流焊爐內的氣氛導致的，本實驗由于設備無法控制內部氣氛，焊接時不可避免的會有氧氣、水蒸氣、二氧化碳氣體的混入，得到的Cu2(OH)2CO3為藍綠色固體，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，所產生的氧化層會阻礙粘附層與無鉛焊料小球的結合。Cr層在焊接的過程中也會與焊接氣氛中的某些氣體發生氧化還原反應使得Cr被氧化。二者表面附著由致密的氧化層，阻礙了焊接反應的進行，所以得到的剪切強度最差。