半導(dǎo)體激光釬焊Sn-Ag-Cu焊點(diǎn)的力學(xué)性能和顯微組織分析_圖文

1、第29卷第2期焊接學(xué)報(bào)V01.29No.2 2008年2月TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION February2008半導(dǎo)體激光釬焊SnA9一Cu焊點(diǎn)的力學(xué)性能和顯微組織分析張昕,薛松柏,韓宗杰,韓憲鵬(南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,南京210016摘要:選取不同激光釬焊工藝參數(shù),利用半導(dǎo)體激光軟釬焊系統(tǒng)對(duì)sIlAgcu無鉛釬料在銅基板上進(jìn)行了釬焊試驗(yàn),并研究了slIAgCu焊點(diǎn)顯微組織中金屬間化合物形成規(guī)律。結(jié)果表明,當(dāng)激光釬焊時(shí)間選擇為1s,激光輸出功率為38.3w時(shí),焊點(diǎn)力學(xué)性能最佳。隨著激光工藝參數(shù)的改變,焊點(diǎn)顯微組織發(fā)生相

2、應(yīng)的變化。當(dāng)使用最佳激光工藝參數(shù)釬焊時(shí),形成的焊點(diǎn)晶粒細(xì)小,避免了焊點(diǎn)內(nèi)金屬問化合物cu6s啦的過度生長,此外還形成了厚度適中的金屬間化合物層。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),激光軟釬焊方法比傳統(tǒng)紅外再流焊所形成的金屬間化合物層更為平緩,能夠獲得力學(xué)性能更為優(yōu)良的焊點(diǎn)。關(guān)鍵詞:半導(dǎo)體激光軟釬焊;無鉛焊點(diǎn);金屬間化合物;顯微組織中圖分類號(hào):TG456文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):02533似(200802一(102205張H,r0青專隨著微電子封裝技術(shù)向著“微型化”、“無鉛化”方向發(fā)展1,電子制造產(chǎn)業(yè)面臨著許多新的問題和挑戰(zhàn),這些新問題使用傳統(tǒng)再流焊工藝無法從根本上給予解決。作為一項(xiàng)新興的釬焊技術(shù),激光軟釬焊具有局

3、部加熱、快速加熱、快速冷卻的特征,可以有效地防止高密度封裝器件發(fā)生橋連現(xiàn)象,能夠大幅度提高元器件焊點(diǎn)的綜合性能,因此,在微電子工業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景2。眾所周知,顯微組織影響焊點(diǎn)的力學(xué)性能,金屬間化合物則在焊點(diǎn)的顯微組織中具有重要的作用【3J。相關(guān)文獻(xiàn)研究表明,焊點(diǎn)中釬料/基板的界面處金屬問化合物的形態(tài)和長大對(duì)焊點(diǎn)缺陷的萌生及發(fā)展、電子組裝件的可靠性等有著十分重要的影響【4|。因此研究并控制金屬間化合物的形態(tài)和生長行為對(duì)提高焊點(diǎn)的可靠性具有重要意義。,在實(shí)際電子元器件的釬焊中,常常以銅為基板材料。因此文中采用半導(dǎo)體激光軟釬焊系統(tǒng)對(duì)Sn AgCu無鉛釬料在銅基板上進(jìn)行釬焊試驗(yàn),進(jìn)而研究激光釬焊

4、工藝參數(shù)對(duì)snAgCu無鉛焊點(diǎn)顯微組織的影響規(guī)律,對(duì)無鉛釬料激光軟釬焊技術(shù)的收稿日期:2007一一09基金項(xiàng)目:江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(CX07B一087z;江蘇省“六大人才高峰”資助項(xiàng)目(06一E一020“實(shí)用化”,具有重要的意義。1試驗(yàn)方法采用LYFCDLWS90型半導(dǎo)體激光軟釬焊系統(tǒng)對(duì)SnAgCu無鉛釬料在純銅試片上進(jìn)行釬焊試驗(yàn),以此來模擬電子元器件焊點(diǎn)的形成過程,進(jìn)而研究半導(dǎo)體激光軟釬焊條件下sn一如一Cu無鉛釬料焊點(diǎn)顯微組織中的金屬間化合物。為便于對(duì)比,同時(shí)采用紅外再流焊機(jī)進(jìn)行了SnAgCu釬料在純銅試片上的釬焊試驗(yàn)。此外,還選用了與上述試驗(yàn)相同的激光工藝參數(shù),進(jìn)行

5、了0805型矩形片式電阻的釬焊試驗(yàn),并利用STR一11300型微焊點(diǎn)強(qiáng)度測試儀測試其焊點(diǎn)的力學(xué)性能,研究焊點(diǎn)顯微組織中金屬間化合物與力學(xué)性能之間的關(guān)系。根據(jù)國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB548A一96微電子器件試驗(yàn)方法和程序方法2019A:芯片抗剪強(qiáng)度的規(guī)定,芯片抗剪強(qiáng)度以其最大剪切力值來替代評(píng)價(jià)55,這已為諸多研究所采納【6.7J,故文中以焊點(diǎn)的最大剪切力值(以下簡稱剪切力來作為其力學(xué)性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1激光工藝參數(shù)對(duì)焊點(diǎn)力學(xué)性能的影響 焊點(diǎn)力學(xué)性能是激光釬焊時(shí)間和功率綜合影響 24焊接學(xué)報(bào)第29卷圖2不同激光輸出功率條件下微焊點(diǎn)的顯微組織喲.2Microstructures of s

6、oldered joints with different laser output powers(a枝狀晶顯微組織言厶3越醴舞耀圖3枝狀晶組織的EDX分析Fig.3EDX analysis of dendritic cryscaI從圖中可以看出當(dāng)釬焊時(shí)間為0.5s時(shí),由于釬焊時(shí)間過短,基體中的銅只有少量向釬料中溶解,未能在釬料與基體問形成明顯的Cu6Sn5金屬間化合物層,從而不能保證良好的冶金連接,焊點(diǎn)的力學(xué)性能較差。當(dāng)釬焊時(shí)間為1s時(shí),基體銅向熔融釬料充分溶解并發(fā)生反應(yīng),形成了厚度適中的金屬間化合物層,保證了牢固的冶金連接,同時(shí)避免了Cu6Sn5金屬間化合物層過厚帶來的負(fù)面影響。而當(dāng)釬焊時(shí)

7、間增加到1.5s時(shí),Cu6S.5金屬間化合物層進(jìn)一步增厚,由于Cu6Sn5自身的脆性,導(dǎo)致了焊點(diǎn)力學(xué)性能的下降。當(dāng)釬焊的時(shí)間增加至2s時(shí),金屬間化合物衍射角201(。枝狀晶能譜分析Cu6Sn5大量增加,并且在與接觸面形成了Cu3Sn金屬間化合物層(圖5,導(dǎo)致了焊點(diǎn)力學(xué)性能的明顯下降,這種變化趨勢正好可以解釋焊點(diǎn)力學(xué)性能的變化。由相關(guān)研究可知:金屬間化合物層厚度滿足經(jīng)典公式4】L=(眈“(1式中:為金屬間化合物層厚度;D為擴(kuò)散系數(shù);t 為反應(yīng)時(shí)間。圖6為激光軟釬焊與紅外再流焊兩種加熱方式下形成的焊點(diǎn)中釬料/基板的顯微組織。結(jié)合公式(1可知:傳統(tǒng)紅外再流焊條件下,熔融釬 料冷卻速度慢,冷卻時(shí)間長,

8、金屬間化合物層過厚且第2期張昕,等:半導(dǎo)體激光釬焊snAgCu焊點(diǎn)的力學(xué)性能和顯微組織分析25呈扇貝狀形態(tài)分布。而激光軟釬焊具有快速加熱,快速冷卻的特點(diǎn),因此在釬料成分相同的情況下,形言爭i惻瞬雜毫成的金屬間化合物層薄且更為平緩,獲得了力學(xué)性能更為優(yōu)良的無鉛焊點(diǎn)。圖4不同激光釬焊時(shí)間條件下焊點(diǎn)中釬料/基板界面的顯微組織喲.4Microstructures of solder/substrate interface in soldered joints with different soldering time(a金屬問化合物層顯微組織衍射角20l(。徹金屬化合物層能譜分析圖5Cu3Sn的EDX

9、分析Fig.5EDX analysis of Cu3Sn(1激光軟釬焊徹紅外再流焊圖6不同再流焊條件下釬料/基板界面的顯微組織Fig.6Microstructures of solder/subsffate interface with different soldering methods 半導(dǎo)體激光釬焊Sn-Ag-Cu焊點(diǎn)的力學(xué)性能和顯微組織分析 作者： 作者單位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 張昕， 薛松柏， 韓宗杰， 韓憲鵬 南京航空航天大學(xué),材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,南京,210016 焊接學(xué)報(bào) TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIO

10、N 2008,29(2 參考文獻(xiàn)(9條 1.郭福 無鉛釬焊技術(shù)與應(yīng)用 2006 2.Flanagan A;Conneely A;Glynn T J Laser soldering and inspection of fine pitch electronic components 1996(02 3.Suganuma K Advances in lead-free electronics soldering外文期刊 2001(01 4.Yoon J W;Lee Y H;Kim D G Intermetallic compounds layer growth at the interface between Sn-Cu-Ni solder and Cu substrate 2004(1-2 5.Hoult T Laser solutions for soldering外文期刊 2004(02 6.Xue Songbai;Wang Hui;Hu Yongfang Effects of thermal cycling on soldering joints' shear strength of lamina