轉自半導體封裝工程師之家

蔣慶磊、王燕清、林元載、楊海華、李賽鵬

（中國電子科技集團公司第十四研究所）

摘要：針對一種高功率器件在使用過程中鍍金管殼底部發黑的問題，采用光學檢查、掃描電鏡、能譜分析以及XRD分析等手段對底部發黑區域的形貌、組成以及物質等進行分析和討論。試驗結果表明，功率器件裝焊過程中流入的助焊劑導致底部發黑，黑色區域主要包括AuSn、Au、Sn以及CHO類物質，在溫度和助焊劑的作用下，Sn通過晶界擴散的方式向管殼底部的Au中快速擴散，形成了AuSn金屬間化合物。增加功率器件搪錫后及安裝前清洗工序以及優化焊接后的清洗要求，可有效避免發黑現象的出現。

在通信、雷達等電子裝備中采用了較多的高功率器件，此類器件對接地要求高、發熱量較大，一般情況下會采用通過焊接或者大面積接觸的方式安裝到機殼上以滿足接地和散熱要求。同時為適應環境性要求，該類器件采用鍍金鍍層，厚度達到1.27 μm以上。在裝配過程中，為了提高器件與殼體之間的接觸面積，常在器件與殼體之間增加一層錫箔或者銦箔。在某型號裝備研制過程中，發現某鍍金高功率器件底部出現了發黑的現象，如圖1所示。將器件從安裝面取下后，發現器件底部有不均勻、凸起的發黑區域存在，在錫箔側呈現輕微的不均勻小凹坑形態。針對該現象，本文通過光學檢查、掃描電鏡、能譜分析以及X-ray衍射（XRD）分析等手段進行研究并開展分析。

1 試驗材料和試驗方法

本文所用的器件是出現發黑現象的同批次器件，該器件采用鍍金工藝，金層厚度為1.35 μm。采用的墊片為Sn箔墊片，厚度為0.1mm。該功率器件的安裝如圖2所示，機殼鍍層是錫鈰鍍層，厚度為15μm。

該功率器件所涉及的工藝過程主要包括：1）對功率器件的引線進行搪錫處理；2）在機殼上功率器件的安裝位置墊錫箔；3）安裝功率器件用力矩起子緊固；4）手工烙鐵焊接功率器件的引線并用酒精棉球清潔焊點。在功率管的裝配過程中會涉及到酒精、助焊劑以及錫箔等材料。

針對出現發黑的功率器件進行制樣，采用顯微鏡對發黑區域進行觀察，采用掃描電鏡對功率管底部、墊片以及發黑區域進行分析，最后采用XRD對發黑區域的組成進行分析。

2 試驗結果和分析

某批次產品功率器件裝調后發現大約75%的器件有底部發黑現象，這些功率器件均經過裝配和調試，在調試過程中功率器件的溫度最高可達到50 ℃。采用顯微鏡對發黑區域進行觀察和檢查，發現接觸面越緊密的區域發黑現象越明顯，且發黑現象僅出現在功率管一側，有一定的凸起高度，在墊片一側無明顯發黑現象，錫箔側呈現輕微的不均勻小凹坑形態。采用酒精棉球對發黑區域進行擦拭，檢查發現酒精棉顏色未有變化，功率管發黑區域顏色也沒有變化，說明黑色物質不溶于酒精。試驗中用橡皮擦對發黑區域進行擦磨，檢查發現功率管底部顏色發亮，呈現明顯的金屬光澤，如圖3所示。

分別采用酒精、去離子水、助焊劑三種物質分別涂刷在功率器件鍍金表面，然后將功率器件以及未涂物質的功率器件與錫箔緊密壓在一起，其中一組室溫中靜置1 h，另一組放入80 ℃烘箱中烘烤1 h。檢查發現在常溫靜置的4種試樣均未發生顏色變化。烘烤后的試樣中，未涂液體及涂有酒精和去離子水的鍍金管殼未發生顏色變化，而采用助焊劑的管殼底部出現明顯的發黑現象，且形態與產品中功率管底部形態相似。上述試驗結果表明，在加熱的條件下，沾有助焊劑的鍍金管殼上會出現發黑的現象。因此，初步判斷產品中功率器件底部的發黑問題是由殘余助焊劑導致。

采用掃描電鏡對功率器件底部發黑區域以及錫箔表面的形貌進行觀察以及成分分析。器件底部區域掃描電鏡形貌如圖4所示。其中淺色區域為鍍金區，深色區域為發黑區域。分別在淺色和深色區域選擇區域進行成分分析，分析結果如圖5和表1所示。其中圖譜1、2、3、4、7、8均為發黑區域，圖譜5、6、9為鍍金未發黑的區域。試驗結果顯示，上述區域均探測到C、O、Au、Sn四種元素，其中發黑區域的C、O元素含量明顯高于未發黑的區域，未發黑區域中Au的含量明顯高于發黑的區域，Sn的含量與測定的位置有一定關系，其中被發黑區域包圍的位置Sn含量較高（圖譜5），與發黑區域中Sn的含量相當。結果表明管殼與錫箔接觸一定時間后，功率器件底部管殼上均可檢測到Sn元素。錫箔的形貌如圖6所示，錫箔形貌可見明顯的晶界，晶粒尺寸較大。錫箔成分分析結果如圖7和表2所示，其組成主要為Sn元素，檢測到少量的C元素。

采用XRD對發黑區域的組成進行檢測，檢測結果如圖8所示，對衍射峰進行標定表明，發黑區域的物相主要包括AuSn金屬間化合物、Sn、Au等。上述結果表明在功率器件下面加錫箔并安裝后，經過一定時間的調試測試后，Au鍍層與錫箔之間會發生相互擴散并形成AuSn金屬間化合物。Au與Sn的界面處通常形成的金屬間化合物包括Au5Sn、AuSn、AuSn2、AuSn4等，本文功率器件鍍金發黑區域形成了較為穩定的AuSn相，在未發黑的區域也可檢測到Sn元素，可推斷也形成了AuSn金屬間化合物。

Au在Sn中是通過間隙機制進行的擴散，擴散激活能很小，且Au的擴散系數超過Sn的自擴散系數幾個數量級。在本文中，Sn的晶粒尺寸遠大于Au的晶粒尺寸，所以錫箔中的Sn通過晶界擴散進入功率器件的Au中，由柯肯達爾效應產生的空洞（呈輕微凹坑狀）出現在錫箔側，小丘（呈凸起狀）則出現在鍍金側。上述試驗表明該功率器件鍍金層與錫箔緊密接觸一段時間后均會發生Au-Sn擴散現象形成AuSn金屬間化合物。與其他未發黑區域相比，發黑區域AuSn的擴散程度更為明顯，由于功率器件底部基本處在相近的溫度條件下，說明外來助焊劑對于Au-Sn的快速擴散發揮了重要的作用。

隨著溫度的升高，Au-Sn相互擴散的激活能降低，因此更容易發生快速擴散。同時助焊劑中包括了有機酸、活化劑、松香樹脂等物質，也進一步加速了Au-Sn的擴散。試驗結果顯示在一定的溫度條件下，Au和Sn擴散速度明顯加快，在功率器件的調試測試等工作過程中，其本體溫度較高，一般會達到50 ℃左右，另外環境試驗條件下最高會達到80 ℃左右，因此本文的功率器件在調試過程以及篩選過程發現了底部發黑的現象。其中發黑的物質推斷還包含了少量的助焊劑殘留形成的CHO類物質。由于AuSn金屬間化合物的電子很容易獲得能量而跳躍，因此其有一定的帶電性，經對產品的性能進行測定，發黑區域出現后并未對功率器件的性能造成明顯影響。但是由于該器件為高功率射頻器件，對整個底部的接地性能和散熱性能均有較高的要求，一方面助焊劑的殘留物一定程度上可能會降低熱導率，增加接觸電阻，從而造成功率器件射頻性能的下降或者出現早期失效的問題，另一方面由于助焊劑呈現的酸性，會導致腐蝕現象以及離子遷移現象的出現，從而帶來其他的可靠性問題。因此射頻類高功率器件的底部，應避免此類現象的發生。

根據該功率器件的裝配流程，其裝配過程中涉及助焊劑的工序包括器件引線的搪錫和引線的手工焊接。其中引線的搪錫是首先將引線浸入助焊劑中，蘸取少量助焊劑，然后將引線浸入錫鍋中將鍍金層融入錫鍋中，從而達到去金的目的，在搪錫操作過程中，助焊劑有可能接觸到器件底部并殘留下來。在引線手工焊接過程中采用的焊錫絲進行焊接，并不使用助焊劑，但是在引線焊接完成后，需要采用酒精棉球對焊點殘留助焊劑進行清洗，若清洗過程中使用的酒精過多，會導致酒精流到功率管底部，同時將溶解到酒精中的助焊劑帶入功率管底部。因此在該功率器件的裝配過程中，引線搪錫和手工焊接工序均可能導致器件底部出現助焊劑殘留。因此，為了解決此問題，首先在搪錫后增加清洗工序，然后在器件安裝前對底部進行擦洗，在引線手工焊接后明確手工清洗的要求，避免清洗溶劑將助焊劑帶入到器件底部。經驗證，通過增加功率器件搪錫后及安裝前清洗操作，并明確引線焊接后的清洗要求，可有效避免助焊劑在功率器件底部的殘留，避免了發黑現象的出現。

3 總結

本文針對一種高功率微波器件裝焊過程中底部管殼發黑的問題進行了問題復現、試驗研究及分析討論，試驗結果表明：1）在管殼底部與錫箔接觸處，黑色區域和非黑色區域均可檢測到C、O、Sn、Au等元素，其中黑色區域的C、O、Sn等元素含量均高于非黑色區域；2）功率器件與錫箔緊密接觸，Sn向管殼底部的Au中擴散，形成了AuSn金屬間化合物，在溫度和助焊劑的共同作用下，Au-Sn的擴散速度會加快；3）管殼底部黑色物質主要包括了AuSn、Au、Sn以及CHO類殘余物。通過增加功率器件搪錫后及安裝前的清洗工序以及優化焊接后的清洗要求，可有效避免發黑現象的出現。

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