【環(huán)球SMT與封裝】特約稿

吳懿平 博士

武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 光電材料與微納制造部 教授

華中科技大學(xué) 連接與電子封裝中心 教授/博導(dǎo)

Email: ypwu@mail.hust.edu.cn

軟釬焊連接原理

      【摘要】《釬焊手冊(cè)》（第二版）是由北京大學(xué)張啟云教授主編的一部大型手冊(cè)，2008年由機(jī)械工業(yè)出版社出版。該書是一本理論和實(shí)際并重的工具書。全書以被釬焊的母材為主線，對(duì)釬焊技術(shù)進(jìn)行了詳盡介紹，其中包括軟釬焊。本人編寫了該書第二版的第四章“電子工業(yè)中的軟釬焊”。該書第一版的相同章節(jié)是由哈爾濱工業(yè)大學(xué)的方鴻淵教授編寫的，第二版的相關(guān)內(nèi)容是在此基礎(chǔ)上重新編寫的。本文就是該書中有關(guān)軟釬焊原理的部分內(nèi)容，將分幾期刊載。

【關(guān)鍵詞】軟釬焊電子封裝 金屬間化合物

1 軟釬焊的定義

      由于歷史上的原因，釬焊一直被區(qū)分為“硬釬焊”（Brazing）和“軟釬焊”（Soldering）。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，“硬”與“軟”的界限越來越模糊。為此，美國(guó)焊接學(xué)會(huì)（AWS）將450°C作為分界線，規(guī)定釬料液相線溫度高于450°C所進(jìn)行釬焊為硬釬焊，低于450°C的為軟釬焊。這一劃分為世界上大多數(shù)人所接受，但也有一些不同的觀點(diǎn)，如美國(guó)軍標(biāo) MILSPEC是以429°C（800℉）作為分界線的。另外也有些人，特別是從事電子產(chǎn)品釬焊工作的人認(rèn)為，在315°C（600℉）以下進(jìn)行的釬焊才算軟釬焊。無論軟硬釬焊如何劃分，軟釬焊的溫度較硬釬焊低這一點(diǎn)是明確的。而在電子行業(yè)中，絕大多數(shù)的釬焊工作是在300°C以下完成的。在450°C以上進(jìn)行的釬焊連接，在電子行業(yè)中是比較少的。

2錫與銅的相互作用

      在電子釬料中，應(yīng)用最廣泛的金屬元素是錫，在大多數(shù)電子釬料中都或多或少地含有錫。在眾多的被連接材料中，應(yīng)用最多的當(dāng)首推銅。因此，研究銅與錫之間的相互作用問題就具有特別重要的意義。

       我們知道，使釬料與母材之間發(fā)生適當(dāng)?shù)南嗷プ饔?，從而?shí)現(xiàn)冶金結(jié)合是獲得優(yōu)良焊點(diǎn)的基本前提。這就要求母材組分可以在液態(tài)釬料中溶解，并最終可以形成固溶體，共晶體或金屬間化合物。

       金屬間化合物是一種以簡(jiǎn)單化學(xué)計(jì)量比（例如原子比）的成分較為單一的可區(qū)分的均勻相。由于錫非常容易和多種金屬元素形成金屬間化合物，因此，用錫基金屬作為釬料時(shí)，在互連結(jié)合處形成金屬間化合物是最常見的現(xiàn)象。

      由銅錫二元合金平衡相圖（見圖1）可知，銅與錫在液態(tài)下可以無限互溶，在固態(tài)下銅在錫中的溶解度則很小。因此，釬焊時(shí)母材銅將向液態(tài)的錫釬料中溶解，在隨后的冷卻過程中將會(huì)出現(xiàn)金屬間化合物Cu₆Sn₅（h）。如果銅的溶解量過多，還可能出現(xiàn)Cu₃ Sn（e相）?？梢哉f，化合物相Cu₆Sn₅的出現(xiàn)是保證錫釬料與銅母材之間實(shí)現(xiàn)冶金連接的基本前提。

       由于金屬化合物相通常都具有硬而脆的特點(diǎn)，因此，出現(xiàn)過多的化合物對(duì)焊點(diǎn)的性能是不利的。盡管在釬料冷卻凝固之后，由液態(tài)金屬直接形成化合物相的條件已經(jīng)不存在，但是由于在隨后的熱過程中，銅與錫之間的相互擴(kuò)散過程仍可進(jìn)行，因此，化合物相仍將繼續(xù)形成和長(zhǎng)大。通常是在結(jié)合前沿處形成一層連續(xù)的化合物層?；衔飳釉诳拷~母材一側(cè)為Cu₃ Sn，在鄰近錫釬料一側(cè)為Cu₆Sn₅，當(dāng)化合物層達(dá)到一定厚度時(shí)，將會(huì)對(duì)接頭性能產(chǎn)生極為不利的影響。

圖1 銅錫二元合金平衡相圖

3 金屬間化合物的特征

       在電子產(chǎn)品的釬料互連過程中，除了銅母材和錫鉛釬料之外，還經(jīng)常涉及到其它一些材料。例如銅母材上鍍有其他金屬覆層或者多層薄膜合金層等。在構(gòu)成這些材料的各元素之間，有相當(dāng)數(shù)量的體系可以形成金屬間化合物。表1給出了母材和釬料的各元素之間可能形成的金屬間化合物。

      表1 母材與釬料之間可能形成的金屬間化合物

金屬AgAlAuCuFeInNiPbPtSbSnAg-Ag2AlsseunsAg3InAg2InAgIn2nseupeAg3SbAg3SnAl--Al2AuAlAuAlAu2Al2Au5AlAu4AlCu3Al3Cu9Al CuAl2 CuAlCu5AlFe3AlFeAl2FeAl5Fe2Al3FeAl5Fe-Al3NiAl3Ni2AlNiAlNi3nsPtAl2Pt2AlPt2Al3PtAlPt5Al3Pt3AlAlSbeuAu---SsAuCu3AuCuAu3CuPeAu7InAu4InAuInAu7In3Au3In2AuInAuIn2Au8InssAuPb2Au2PbssAuSb2AuSn4AuSn2AuSnCu----peCu4InCu3InCu9In4Cu2InssnsssCuPtCu3PtCu3SbCu9Sb2Cu2SbCu3SnCu6Sn5Fe-----nsssFeNi3-FePt4FePtFePt3FeSbFeSb2Fe3SnFe3Sn2FeSnFeSn2In------In3Ni3InNiInNi2InNi3pe--In3SnIn3Sn4Ni-------nsssNiPtNi3PtNi3SbNi5Sb2NiSb2Ni3Sn2Ni3SnNi3Sn4Pb--------PbPt3PbPtPb4PteueuPt---------PtSbPtSb2Pt3SnPtSnPt2Sn3PtSn2PtSn4

注：ss 連續(xù)固溶體；eu 共晶型；ns 液相分層團(tuán)溶度極小；pe 包晶型

      從表1可以看到Sn與Au、Ag、Ni、Cu等均可以形成金屬間化合物。

      錫和金之間的金屬間化合物生長(zhǎng)非?？臁＠?，在150°C下只需300h就可以形成厚度為50mm的化合物層。金和錫形成的金屬間化合物層包括AuSn、AuSn₂和AuSn₄。AuSn₄相性極脆，且極易在與金的焊接中產(chǎn)生缺陷。在周期性熱作用或其它機(jī)械應(yīng)力作用下，AuSn₄金屬間化合物將會(huì)脫離基體而失效。這種脫離發(fā)生在金基體和AuSn₄金屬間化合物，其原因是多重因素導(dǎo)致的。如AuSn₄的脆性、及其本身過弱的結(jié)合力、多孔的構(gòu)造以及Kirkendall孔缺陷等。為了使得鍍金焊盤上有可靠連接，含金的金屬間化合物必須溶入到釬料內(nèi)部直至表面是Sn/Ni或Sn/Cu的金屬間化合物。這就要求鍍金層厚度要薄，一般不要超過1mm。

Ag₃Sn是銀和錫間形成的最常見的金屬間化合物。在銀基體上（例如，在鍍銀的表面）錫基釬料能形成化學(xué)式為Ag₃Sn的Sn/Ag金屬間化合物。

      Sn在鎳基體上（或鍍鎳層表面上）能夠形成Sn與Ni的金屬間化合物。有三種Sn/Ni金屬間化合物相：Ni₃Sn、Ni₃Sn₂、Ni₃Sn₄。

       研究表明Ag/Sn金屬間化合物形成較快，而Sn/Ni金屬間化合物形成較Cu/Sn慢。

4 金屬間化合物的生長(zhǎng)

       互連界面間形成了金屬間化合物說明一種良好的焊接結(jié)合已經(jīng)形成。但金屬間化合物的脆性會(huì)對(duì)焊點(diǎn)的機(jī)械性能造成破壞性影響。如果這些金屬化合物層太厚，焊點(diǎn)互連界面因脆性而導(dǎo)致斷裂和開路。在機(jī)械應(yīng)力下這將會(huì)是個(gè)非常大的可靠性問題。比如印刷電路板（PWB）在溫度的變化下會(huì)收縮或膨脹從而對(duì)接點(diǎn)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，移動(dòng)電子產(chǎn)品會(huì)經(jīng)常受到?jīng)_擊載荷的作用而發(fā)生破壞。

       實(shí)驗(yàn)表明互連界面形成的金屬間化合物應(yīng)該有較適宜的厚度，過低則不能達(dá)到較好的固溶連接特性，過高則對(duì)系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生影響。例如，Cu基體上涂有Sn/Pb覆層，若Cu和Sn的金屬間化合物生長(zhǎng)厚度達(dá)到2-4mm，點(diǎn)焊的性能會(huì)顯著降低。

       不同的金屬間化合物對(duì)點(diǎn)焊連接的穩(wěn)定性有不同的作用。因而了解相的形成是非常重要的。釬料/基體相互作用可以歸結(jié)為如下兩類：熔溶狀態(tài)下的釬料/基體相互作用和固化狀態(tài)下的金屬間化合物的生長(zhǎng)。潤(rùn)濕過程中，熔化的釬料與固態(tài)基體接觸并起反應(yīng)。這時(shí)，以下兩個(gè)過程幾乎同時(shí)發(fā)生：基體金屬熔溶到液態(tài)金屬中，同時(shí)釬料中的活性成分與金屬基體發(fā)生反應(yīng)。兩個(gè)過程都  可以在熔化的釬料和基體之間的連接區(qū)域形成金屬間化合物。

      基體金屬熔融到液態(tài)釬料中的量取決于它在該材料中的溶解度，而金屬間化合物的形成則取決于基體金屬中活性元素的溶解度。許多研究都致力于研究熔溶釬料和基體金屬間的反應(yīng)。特別是在無鉛化情況下，這種研究更為重要，它直接關(guān)系到電子產(chǎn)品的質(zhì)量和工藝成本。

      金相觀察一個(gè)經(jīng)過正常焊接工藝獲得的Cu/Sn焊點(diǎn)截面，一般只能看到Cu₆Sn₅而沒有Cu₃Sn。這說明在熔融狀態(tài)下Cu₆Sn₅要比Cu₃Sn形成快得多。在光學(xué)顯微鏡下，Cu₆Sn₅層呈乳白色，大約有1mm厚，視覺上幾乎與金屬化的白色釬料沒有區(qū)別。Cu₃Sn層只有在長(zhǎng)時(shí)間的加熱才呈現(xiàn)出可見的淡藍(lán)色。雖然新焊接的結(jié)點(diǎn)在光學(xué)或電子顯微鏡下只能觀察到Cu₆Sn₅金屬間化合物，但在更高的放大倍率下也能觀察到一些非常薄的Cu₃Sn層，大約只有幾十納米的厚度。

       金屬間化合物的生長(zhǎng)速度有兩種規(guī)律：線性生長(zhǎng)和拋物線生長(zhǎng)。線性生長(zhǎng)是指金屬間化合物的生長(zhǎng)受原子間反應(yīng)控制生長(zhǎng)；而拋物線型生長(zhǎng)則是指生長(zhǎng)受擴(kuò)散到反應(yīng)界面元素的量的限制（擴(kuò)散控制）。含有銅元素的基體體系與Sn/Pb釬料合金之間通常近似于拋物線或亞拋物線型生長(zhǎng)方式。

      銅基/Sn-Pb釬料體系的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)研究比較成熟。例如，對(duì)95Sn-5Ag釬料合金與銅帶在高溫下形成的金屬間化合物的相形態(tài)和生長(zhǎng)過程的研究得出：在釬料凝固態(tài)界面的金屬間化合物呈現(xiàn)出較高的形核率和生長(zhǎng)率。時(shí)效處理后，可以清楚地觀察到Sn/Ag、Sn/Cu兩種不同的金屬間化合物相。測(cè)量金屬間化合物層的總厚度發(fā)現(xiàn)，時(shí)效前焊接界面處IMC的厚度為0.67mm，而經(jīng)150°C 42天時(shí)效處理后，焊接界面的IMC厚度變厚至11.1mm。

      對(duì)不同合金的引線框架表面鍍錫和鍍Sn/Pb釬料合金，研究了界面處的金屬間化合物生長(zhǎng)。鍍層成分分別為60Sn-40Pb,30Sn-70Pb,40Sn-60Pb,10Sn-90Pb，引線框架合金分別為銅、黃銅和鍍銀框架。分別在20°C，70°C，100°C，135°C，170°C下熱處理1700天。發(fā)現(xiàn)Ag₃Sn存在于所有的含銀框架的界面上。也觀測(cè)到Cu₃Sn和Cu₆Sn₅存在于所有含銅的互連界面上，且唯一生長(zhǎng)的IMC層是Cu₆Sn₅。在釬料/黃銅（銅鋅合金）界面上存在如下兩相：Cu/Sn/Zn三元合金生長(zhǎng)于黃銅基體金屬表面，而在接近釬料的界面上發(fā)現(xiàn)了類似于Cu₆Sn₅的化合物（含有一些鋅）。主要的原因是，在任何溫度下，比較基體不同而成分相同的鍍層，化合物生長(zhǎng)成最終厚度的速率，在銀上最快，銅次之，再次是黃銅。而60Sn-40Pb鍍層是在所有基體金屬表面生長(zhǎng)最快的?；w的硬度和表面鍍金處理對(duì)互連界面上IMC的生長(zhǎng)影響不大。

       金、鈀等金屬鍍層能夠立即擴(kuò)散到含錫釬料中去而形成彌散細(xì)小的金屬間化合物。在釬焊過程中，由于母材與釬料之間存在相互作用，一些母材組分會(huì)溶解到液態(tài)釬料中去。不同的材料在不同的液態(tài)釬料中的溶解速度是不同的。將直徑為0.5mm的金、銀、鈀、銅、鎳、鉑絲浸入到液態(tài)釬料中，針對(duì)不同的溫度和時(shí)間，測(cè)出溶解速率。表2給出了該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果?？梢钥闯鲭S著溫度的升高，溶解量迅速增加，金和銀的溶解速度最高，而鉑和鎳的溶解速度最低。

    表2 不同溫度下幾種金屬元素在熔融的錫鉛中的溶解速率

金屬溫度/°C溶解速度/mm×s-1金屬溫度/°C溶解速度/mm×s-1Au1992162322520.891.742.994.25Ag1992322743160.531.112.464.84Cu2322743163714274820.100.180.541.563.636.30Pd2322743163714274820.0360.0910.160.361.032.62Pt3714274820.0210.130.43Ni3714274820.0430.110.39

5 金屬間化合物的物理性能

金屬間化合物與釬料或基體的物理性能明顯不同。表3給出了Cu/Sn和Cu/Ni金屬間化合物的物理性能。

表3 室溫下金屬間化合物的物理性能

性能Cu6Sn5Cu3SnNi3Sn4維氏硬度(kg/mm2)378±55343±47365±7斷裂韌性(MPa×m1/2)1.4±0.31.7±0.31.2±0.1彈性模量(GPa)85.56±6.5108.3±4.4133.3±5.6剪切模量(GPa)50.2442.4145.0熱膨脹系數(shù)(′10-6/°C)16.3±0.319.0±0.313.7±0.3熱擴(kuò)散系數(shù)(cm2/s)0.145±0.0150.24±0.0240.08±0.008熱容容量(J/g/°C)0.286±0.0120.326±0.0120.272±0.012電阻率(mΩ×cm)17.5±0.18.93±0.0228.5±0.1密度(g/cm3)8.28±0.028.9±0.028.65±0.02熱導(dǎo)率(W/cm×°C)0.341±0.0510.704±0.0980.198±0.019

      從表3 可知，金屬間化合物的延性較差，硬度較高，這表明金屬間化合物具有較大的脆性。金屬間化合物的這種高硬度使得在一般條件下焊點(diǎn)受到應(yīng)力時(shí)不會(huì)有塑性形變產(chǎn)生。金屬間化合物較大的彈性模量使得它們的展延性變差。金屬間化合物的熱膨脹系數(shù)與金屬的相差不多，因而，它們與連接著的基體金屬的膨脹量也會(huì)差不多。金屬間化合物的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率比較低，這對(duì)于一個(gè)薄的金屬間化合物層來說，其影響不會(huì)很大。但是對(duì)于微型焊點(diǎn)來說，由于點(diǎn)焊尺寸變小，這些物理性能將會(huì)對(duì)電路的性能造成很大的影響。

（2010年10月7日）