轉(zhuǎn)自半導(dǎo)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(guó)電子科技集團(tuán)公司第十四研究所）

摘要：針對(duì)一種高功率器件在使用過(guò)程中鍍金管殼底部發(fā)黑的問(wèn)題，采用光學(xué)檢查、掃描電鏡、能譜分析以及XRD分析等手段對(duì)底部發(fā)黑區(qū)域的形貌、組成以及物質(zhì)等進(jìn)行分析和討論。試驗(yàn)結(jié)果表明，功率器件裝焊過(guò)程中流入的助焊劑導(dǎo)致底部發(fā)黑，黑色區(qū)域主要包括AuSn、Au、Sn以及CHO類(lèi)物質(zhì)，在溫度和助焊劑的作用下，Sn通過(guò)晶界擴(kuò)散的方式向管殼底部的Au中快速擴(kuò)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(yōu)化焊接后的清洗要求，可有效避免發(fā)黑現(xiàn)象的出現(xiàn)。

在通信、雷達(dá)等電子裝備中采用了較多的高功率器件，此類(lèi)器件對(duì)接地要求高、發(fā)熱量較大，一般情況下會(huì)采用通過(guò)焊接或者大面積接觸的方式安裝到機(jī)殼上以滿(mǎn)足接地和散熱要求。同時(shí)為適應(yīng)環(huán)境性要求，該類(lèi)器件采用鍍金鍍層，厚度達(dá)到1.27 μm以上。在裝配過(guò)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(hào)裝備研制過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)某鍍金高功率器件底部出現(xiàn)了發(fā)黑的現(xiàn)象，如圖1所示。將器件從安裝面取下后，發(fā)現(xiàn)器件底部有不均勻、凸起的發(fā)黑區(qū)域存在，在錫箔側(cè)呈現(xiàn)輕微的不均勻小凹坑形態(tài)。針對(duì)該現(xiàn)象，本文通過(guò)光學(xué)檢查、掃描電鏡、能譜分析以及X-ray衍射（XRD）分析等手段進(jìn)行研究并開(kāi)展分析。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

本文所用的器件是出現(xiàn)發(fā)黑現(xiàn)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(jī)殼鍍層是錫鈰鍍層，厚度為15μm。

該功率器件所涉及的工藝過(guò)程主要包括：1）對(duì)功率器件的引線(xiàn)進(jìn)行搪錫處理；2）在機(jī)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(xiàn)并用酒精棉球清潔焊點(diǎn)。在功率管的裝配過(guò)程中會(huì)涉及到酒精、助焊劑以及錫箔等材料。

針對(duì)出現(xiàn)發(fā)黑的功率器件進(jìn)行制樣，采用顯微鏡對(duì)發(fā)黑區(qū)域進(jìn)行觀(guān)察，采用掃描電鏡對(duì)功率管底部、墊片以及發(fā)黑區(qū)域進(jìn)行分析，最后采用XRD對(duì)發(fā)黑區(qū)域的組成進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

某批次產(chǎn)品功率器件裝調(diào)后發(fā)現(xiàn)大約75%的器件有底部發(fā)黑現(xiàn)象，這些功率器件均經(jīng)過(guò)裝配和調(diào)試，在調(diào)試過(guò)程中功率器件的溫度最高可達(dá)到50 ℃。采用顯微鏡對(duì)發(fā)黑區(qū)域進(jìn)行觀(guān)察和檢查，發(fā)現(xiàn)接觸面越緊密的區(qū)域發(fā)黑現(xiàn)象越明顯，且發(fā)黑現(xiàn)象僅出現(xiàn)在功率管一側(cè)，有一定的凸起高度，在墊片一側(cè)無(wú)明顯發(fā)黑現(xiàn)象，錫箔側(cè)呈現(xiàn)輕微的不均勻小凹坑形態(tài)。采用酒精棉球?qū)Πl(fā)黑區(qū)域進(jìn)行擦拭，檢查發(fā)現(xiàn)酒精棉顏色未有變化，功率管發(fā)黑區(qū)域顏色也沒(méi)有變化，說(shuō)明黑色物質(zhì)不溶于酒精。試驗(yàn)中用橡皮擦對(duì)發(fā)黑區(qū)域進(jìn)行擦磨，檢查發(fā)現(xiàn)功率管底部顏色發(fā)亮，呈現(xiàn)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(zhì)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(zhì)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(fā)現(xiàn)在常溫靜置的4種試樣均未發(fā)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(fā)生顏色變化，而采用助焊劑的管殼底部出現(xiàn)明顯的發(fā)黑現(xiàn)象，且形態(tài)與產(chǎn)品中功率管底部形態(tài)相似。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，在加熱的條件下，沾有助焊劑的鍍金管殼上會(huì)出現(xiàn)發(fā)黑的現(xiàn)象。因此，初步判斷產(chǎn)品中功率器件底部的發(fā)黑問(wèn)題是由殘余助焊劑導(dǎo)致。

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

采用XRD對(duì)發(fā)黑區(qū)域的組成進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖8所示，對(duì)衍射峰進(jìn)行標(biāo)定表明，發(fā)黑區(qū)域的物相主要包括AuSn金屬間化合物、Sn、Au等。上述結(jié)果表明在功率器件下面加錫箔并安裝后，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的調(diào)試測(cè)試后，Au鍍層與錫箔之間會(huì)發(fā)生相互擴(kuò)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(fā)黑區(qū)域形成了較為穩(wěn)定的AuSn相，在未發(fā)黑的區(qū)域也可檢測(cè)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(guò)間隙機(jī)制進(jìn)行的擴(kuò)散，擴(kuò)散激活能很小，且Au的擴(kuò)散系數(shù)超過(guò)Sn的自擴(kuò)散系數(shù)幾個(gè)數(shù)量級(jí)。在本文中，Sn的晶粒尺寸遠(yuǎn)大于A(yíng)u的晶粒尺寸，所以錫箔中的Sn通過(guò)晶界擴(kuò)散進(jìn)入功率器件的Au中，由柯肯達(dá)爾效應(yīng)產(chǎn)生的空洞（呈輕微凹坑狀）出現(xiàn)在錫箔側(cè)，小丘（呈凸起狀）則出現(xiàn)在鍍金側(cè)。上述試驗(yàn)表明該功率器件鍍金層與錫箔緊密接觸一段時(shí)間后均會(huì)發(fā)生Au-Sn擴(kuò)散現(xiàn)象形成AuSn金屬間化合物。與其他未發(fā)黑區(qū)域相比，發(fā)黑區(qū)域AuSn的擴(kuò)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(shuō)明外來(lái)助焊劑對(duì)于A(yíng)u-Sn的快速擴(kuò)散發(fā)揮了重要的作用。

隨著溫度的升高，Au-Sn相互擴(kuò)散的激活能降低，因此更容易發(fā)生快速擴(kuò)散。同時(shí)助焊劑中包括了有機(jī)酸、活化劑、松香樹(shù)脂等物質(zhì)，也進(jìn)一步加速了Au-Sn的擴(kuò)散。試驗(yàn)結(jié)果顯示在一定的溫度條件下，Au和Sn擴(kuò)散速度明顯加快，在功率器件的調(diào)試測(cè)試等工作過(guò)程中，其本體溫度較高，一般會(huì)達(dá)到50 ℃左右，另外環(huán)境試驗(yàn)條件下最高會(huì)達(dá)到80 ℃左右，因此本文的功率器件在調(diào)試過(guò)程以及篩選過(guò)程發(fā)現(xiàn)了底部發(fā)黑的現(xiàn)象。其中發(fā)黑的物質(zhì)推斷還包含了少量的助焊劑殘留形成的CHO類(lèi)物質(zhì)。由于A(yíng)uSn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(jīng)對(duì)產(chǎn)品的性能進(jìn)行測(cè)定，發(fā)黑區(qū)域出現(xiàn)后并未對(duì)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(duì)整個(gè)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(huì)降低熱導(dǎo)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(xiàn)早期失效的問(wèn)題，另一方面由于助焊劑呈現(xiàn)的酸性，會(huì)導(dǎo)致腐蝕現(xiàn)象以及離子遷移現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而帶來(lái)其他的可靠性問(wèn)題。因此射頻類(lèi)高功率器件的底部，應(yīng)避免此類(lèi)現(xiàn)象的發(fā)生。

根據(jù)該功率器件的裝配流程，其裝配過(guò)程中涉及助焊劑的工序包括器件引線(xiàn)的搪錫和引線(xiàn)的手工焊接。其中引線(xiàn)的搪錫是首先將引線(xiàn)浸入助焊劑中，蘸取少量助焊劑，然后將引線(xiàn)浸入錫鍋中將鍍金層融入錫鍋中，從而達(dá)到去金的目的，在搪錫操作過(guò)程中，助焊劑有可能接觸到器件底部并殘留下來(lái)。在引線(xiàn)手工焊接過(guò)程中采用的焊錫絲進(jìn)行焊接，并不使用助焊劑，但是在引線(xiàn)焊接完成后，需要采用酒精棉球?qū)更c(diǎn)殘留助焊劑進(jìn)行清洗，若清洗過(guò)程中使用的酒精過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致酒精流到功率管底部，同時(shí)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(guò)程中，引線(xiàn)搪錫和手工焊接工序均可能導(dǎo)致器件底部出現(xiàn)助焊劑殘留。因此，為了解決此問(wèn)題，首先在搪錫后增加清洗工序，然后在器件安裝前對(duì)底部進(jìn)行擦洗，在引線(xiàn)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(jīng)驗(yàn)證，通過(guò)增加功率器件搪錫后及安裝前清洗操作，并明確引線(xiàn)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(fā)黑現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3 總結(jié)

本文針對(duì)一種高功率微波器件裝焊過(guò)程中底部管殼發(fā)黑的問(wèn)題進(jìn)行了問(wèn)題復(fù)現(xiàn)、試驗(yàn)研究及分析討論，試驗(yàn)結(jié)果表明：1）在管殼底部與錫箔接觸處，黑色區(qū)域和非黑色區(qū)域均可檢測(cè)到C、O、Sn、Au等元素，其中黑色區(qū)域的C、O、Sn等元素含量均高于非黑色區(qū)域；2）功率器件與錫箔緊密接觸，Sn向管殼底部的Au中擴(kuò)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(kuò)散速度會(huì)加快；3）管殼底部黑色物質(zhì)主要包括了AuSn、Au、Sn以及CHO類(lèi)殘余物。通過(guò)增加功率器件搪錫后及安裝前的清洗工序以及優(yōu)化焊接后的清洗要求，可有效避免發(fā)黑現(xiàn)象的出現(xiàn)。

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