激光噴射釬料球鍵合焊點熱循環(huán)試驗研究

王曉林，李明雨，王春青

(1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院材料科學(xué)與工程學(xué)院，深圳518055; 2．哈爾濱工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點試驗室，哈爾濱150001)

激光噴射釬料球鍵合焊點熱循環(huán)試驗研究

王曉林1，李明雨1，王春青2

(1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院材料科學(xué)與工程學(xué)院，深圳518055; 2．哈爾濱工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點試驗室，哈爾濱150001)

為研究激光噴射釬料球鍵合焊點的可靠性，用Sn3.0Ag0.5Cu釬料球?qū)u/Cu焊盤進(jìn)行了激光噴射釬料鍵合試驗，采用微強(qiáng)度測試儀、掃描電子顯微鏡、能譜分析儀研究了熱循環(huán)條件對接頭強(qiáng)度以及界面微觀組織演變的影響．結(jié)果表明:采用激光噴射釬料鍵合技術(shù)焊盤表面Au層不能完全溶入釬料中，導(dǎo)致在界面處形成AuSn2+AuSn4多層金屬間化合物結(jié)構(gòu);熱循環(huán)處理可導(dǎo)致界面殘余的Au層消失，并在原位附近形成以Au、Sn為主并固溶少Cu原子的反應(yīng)層，引起整個反應(yīng)層與Cu層的結(jié)合力下降．

激光噴射釬料鍵合;SnAgCu釬料;熱循環(huán)試驗;銅焊盤

在電子封裝工藝中，通常采用Au來覆層焊盤表面，防止焊盤氧化并提高釬料潤濕性［1］．Au能夠與目前廣泛應(yīng)用的無鉛釬料的主要成分Sn發(fā)生快速反應(yīng)，生成脆性的Au－Sn金屬間化合物．不過在傳統(tǒng)的紅外、熱風(fēng)等回流焊工藝中，由于熱量充足、高溫停留時間長，Au層能夠全部溶入釬料體中，很少引發(fā)焊點的可靠性問題［2－4］．然而，一些熱敏電子器件以及MEMS器件的封裝工藝要求盡量縮短釬焊時間，避免對器件產(chǎn)生嚴(yán)重的熱損傷［5］．

為滿足這種要求，1998年左右Fraunhofer公司和PacTech公司聯(lián)合開發(fā)了一種稱為“激光噴射釬料球鍵合技術(shù)(Laser Jet Solder Ball Bonding，LJSBB)”的微釬焊方法［6］，其基本原理是采用激光束熔化預(yù)制釬料球，并利用高壓氣體(N2)將熔融的釬料球噴射到目標(biāo)焊盤上形成冶金連接，采用此工藝獲得的焊點性能極大地依賴于熔融釬料球自身攜帶的熱能．由于釬料球的尺寸只有幾十微米的數(shù)量級，其攜帶的熱量非常有限，當(dāng)熔融的釬料球與Au層發(fā)生碰撞后，熔融的釬料會在極短的時間內(nèi)凝固，導(dǎo)致Au層難以全部溶入釬料體中，從而在焊點界面處形成Au－Sn金屬間化合物［7－8］，因此非常有必要對這種焊點的可靠性進(jìn)行考察．

本文通過調(diào)整激光能量獲得具有適當(dāng)外觀形貌的焊點，然后采用熱循環(huán)加速老化試驗處理鍵合焊點，采用SEM和EDX觀察和分析焊點界面形貌，結(jié)合力學(xué)性能測試對焊點的可靠性進(jìn)行考察．

1 試驗

研究采用的試驗設(shè)備是德國PacTech公司生產(chǎn)的型號MBL－500激光噴射系統(tǒng)，如圖1所示．系統(tǒng)包括激光發(fā)生子系統(tǒng)、氮氣供給子系統(tǒng)、機(jī)械控制子系統(tǒng)和計算機(jī)控制子系統(tǒng)．工作時，計算機(jī)控制子系統(tǒng)發(fā)出信號，氮氣供給子系統(tǒng)向焊嘴內(nèi)不停地通入氮氣，同時機(jī)械控制子系統(tǒng)將焊嘴和試樣精確運行到工作位置，之后送球機(jī)構(gòu)向焊嘴中送入一個釬料球，釬料球因其直徑略大于焊嘴口直徑而恰好堵住焊嘴口，導(dǎo)致焊嘴內(nèi)的氣壓不斷升高，當(dāng)焊嘴里氣壓達(dá)到預(yù)設(shè)值時，激光發(fā)生子系統(tǒng)發(fā)出一個激光脈沖，使釬料球瞬間熔化，與此同時在氮氣壓力作用下熔融的釬料球被吹出焊嘴噴射到目標(biāo)焊盤上形成焊點．實驗中采用的激光脈沖時間為1.0 ms，脈沖能量為4.0～6.0 mJ．

圖1 激光噴射釬料鍵合技術(shù)原理圖

試驗材料選用 Sn3.0Ag0.50Cu(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)的無鉛釬料球，直徑90 μm．互連焊盤采用直角接頭形式，如圖2所示．垂直焊盤的金屬層由底部到表面依次為 Ta、NiFe、Au，厚度分別為0.01、0.3、0.8 μm，表面尺寸為90 μm×80 μm，其中Ni、Fe的元素比值為1;水平焊盤金屬層由底部到表面依次為 Cu、Au，其厚度分別為15、2.5 μm，表面尺寸為105 μm×80 μm．

圖2 焊接接頭及焊盤結(jié)構(gòu)示意圖

一部分鍵合試件采用DAGE4000微強(qiáng)度測試儀進(jìn)行推斷破壞強(qiáng)度測試，如圖3所示．每個焊點的強(qiáng)度是30個試樣測試結(jié)果的平均值．另一部分鍵合試件將采用五分鐘固化膠封起來，并對微焊點沿焊盤中心線進(jìn)行垂直切片，經(jīng)打磨，拋光后，采用JSM6301F掃描電鏡及其EDX配件和PHI－680俄歇譜儀，對焊點界面的形貌、成分進(jìn)行觀測和分析．

圖3 強(qiáng)度測試示意圖

熱循環(huán)試驗采用Weiss公司生產(chǎn)的TS130型熱疲勞循環(huán)實驗系統(tǒng)進(jìn)行．實驗箱高溫區(qū)設(shè)為125℃，低溫區(qū)設(shè)為 －40℃．高低溫各保溫30 min，分別進(jìn)行100、300、500次循環(huán)試驗．

2 結(jié)果與分析

2.1 LJSBB焊點的截面形貌

圖4為脈沖時間1 ms條件下，分別采用4.0、5.5和6.0 mJ的脈沖能量獲得的釬焊接頭截面的整體SEM圖像．圖4表明，激光能量偏小時焊點表面呈現(xiàn)凸態(tài)，隨著激光能量的提高焊點表面逐漸由凸態(tài)向凹態(tài)轉(zhuǎn)變．根據(jù)文獻(xiàn)［7－8］的研究結(jié)果可知，具有凸態(tài)的焊點在承受交變載荷的過程中更容易在鍵合界面前沿形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致抗疲勞性能變差，因此采用4.0 mJ脈沖能量形成的焊點是不能接受的，而采用5.5和6.0 mJ的脈沖能量獲得的焊點是可以接受的，繼續(xù)增大脈沖能量會對PI板造成熱損傷．

圖4 脈沖時間1 ms，不同脈沖能量下獲得的LJSBB焊點

圖5(a)、(b)分別是圖4(b)中垂直焊盤與水平焊盤界面截面的放大圖．

圖5 脈沖時間1 ms，脈沖能量5.5 mJ條件下獲得的LJSBB焊點界面微觀組織

圖5表明，界面處的反應(yīng)層呈現(xiàn)多層次結(jié)構(gòu)．根據(jù)劉永岳等人［9］的研究結(jié)果，熔融釬料球從噴嘴噴出時的溫度可達(dá)1000℃，在與焊盤接觸后，可使焊盤的溫度升高到500℃以上［9］，從而導(dǎo)致Au層向熔融釬料內(nèi)部迅速溶解，并在Au層表面形成了較大的濃度梯度［10－12］．由于熔融釬料自身攜帶的熱量非常少，在Au層還未全部溶解前焊接界面便進(jìn)入快速降溫過程，使得Au在釬料中的溶解度不斷下降，當(dāng)達(dá)到溶解度極限后就會析出Au－Sn化合物．對于LJSBB焊點來說，釬焊的熱量來自于釬料本身，從而導(dǎo)致在焊接界面附近形成一個由釬料內(nèi)部至焊盤方向的逐漸下降的溫度梯度，同時考慮到Au－Sn化合物的熔點是隨著Au化學(xué)配比的減小而降低，因此靠近Au層的含Au較高的Au－Sn化合物會率先析出，從而依次形成Au5Sn、AuSn、AuSn2、AuSn4化合物層．依據(jù)EDX點分析結(jié)果以及圖6給出的Au－Sn平衡相圖，可以從圖5中明顯辨識出呈針狀的AuSn4層、AuSn2層和Au層．但是，從圖5中并未辨識出Au5Sn和AuSn層，這可能是由于這2種化合物層過薄，EDX分析方法失效的緣故．

圖6 Au－Sn相圖［1］

2.2 LJSBB焊點熱循環(huán)試驗

由以上分析可知，LJSBB焊點組織是一種在快速加熱和冷卻條件下形成的非平衡組織，具有向平衡組織轉(zhuǎn)化的趨勢．另外，Au與Sn金屬即使是在室溫的條件下也具有極強(qiáng)的互擴(kuò)散性，形成的焊點組織在服役使用過程中十分不穩(wěn)定，因此有必要對焊點中元素的固相擴(kuò)散和組織演變進(jìn)行考察．本文采用熱循環(huán)試驗來加速焊點的老化過程．考察的試樣為采用1 ms脈沖時間、5.5 mJ脈沖能量獲得的焊點．由于經(jīng)過熱循環(huán)試驗的焊點在強(qiáng)度測試過程中均在水平焊盤附近發(fā)生斷裂，因此下面僅對水平焊盤處的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行分析．

圖7為經(jīng)過100次高溫125℃、低溫－40℃熱循環(huán)后水平焊盤界面附近的SEM背散射照片．圖7表明，界面金屬間化合物層的總厚度相比未處理前明顯增加，AuSn4層的厚度也明顯增加，AuSn4與釬料間的界面變得平直，AuSn2平層狀結(jié)構(gòu)不再明顯可見．這是因為Sn在AuSn4中的擴(kuò)散速率比Au快41.7倍［13］，導(dǎo)致Sn原子不斷地通過AuSn4向AuSn2層擴(kuò)散，從而使得AuSn2向AuSn4轉(zhuǎn)化［14］，而Au層只有少量殘留在焊點界面上，并且變得厚薄不均．在殘留的 Au層和AuSn4層之間灰度次明的區(qū)域同時包含著Au、Cu、Sn元素，原子數(shù)分?jǐn)?shù)x(Au)∶x(Sn)∶x(Cu)為48.67∶46.12∶6.21．因為試驗采用的高溫區(qū)溫度為125℃，所以采用文獻(xiàn)中能查到的最為接近的170℃時Sn－Au－Cu三元平衡等溫截面相圖，判斷此處可能是由AuSn和AuSn2構(gòu)成的兩相區(qū)，其中固溶了少量的銅原子，如圖8所示．然而由于焊點非常小，反應(yīng)物生成的量也非常少，難以通過XRD等手段明確判斷此處相結(jié)構(gòu)，因此圖8中對于該區(qū)以(Au，Sn，Cu)標(biāo)記．

圖7 100次冷熱循環(huán)后水平焊盤界面背散射照片

圖9給出了焊點經(jīng)過300次熱循環(huán)后的截面形貌．圖9顯示Au層幾乎完全消失，而(Au，Sn，Cu)層的厚度增加，并且各處厚度趨于均勻．

圖10為經(jīng)過不同熱循環(huán)次數(shù)后焊點進(jìn)行強(qiáng)度測試后得到的結(jié)果．曲線顯示，焊點經(jīng)過100次熱循環(huán)后，焊點的斷裂載荷出現(xiàn)了大幅度的下降，此后繼續(xù)增加熱循環(huán)次數(shù)，焊點斷裂載荷不再繼續(xù)下降．觀察接頭斷口發(fā)現(xiàn)未經(jīng)過熱循環(huán)處理的接頭，其斷裂均發(fā)生基板中，焊點界面附近未產(chǎn)生任何裂紋．而對于經(jīng)過100次冷熱循環(huán)處理后的接頭，其斷裂主要發(fā)生Cu焊盤與反應(yīng)層的界面上以及反應(yīng)層內(nèi)．

圖8 Sn－Au－Cu三元系170℃等溫截面相圖［15］

圖9 300次冷熱循環(huán)后的水平焊盤界面組織

圖10 熱循環(huán)次數(shù)與接頭斷裂載荷之間的關(guān)系

圖11給出了經(jīng)過300次熱循環(huán)焊點斷口截面照片，以及經(jīng)過斷裂反應(yīng)層部分的EDX線掃描結(jié)果．結(jié)果顯示斷裂面大部分為反應(yīng)層與Cu焊盤的界面，此外還有一小部分為反應(yīng)層本身發(fā)生的斷裂．脫離的反應(yīng)層部分包含了Sn、Au、Cu元素，與(Au，Sn，Cu)層內(nèi)的元素組成相比，脫離層中Au的含量基本不變，而Sn的含量有所降低，Cu的含量有所上升．由此現(xiàn)象估計，此處可能是由于Au、Cu、Sn之間形成了有別于反應(yīng)層內(nèi)其他部分的相，而此相與Cu焊盤具有較強(qiáng)的結(jié)合力．然而，同樣由于尺寸過小的原因，無法對該部分進(jìn)行物相分析．然而，從上面的試驗現(xiàn)象仍然可以看出Au層的消失，以及(Au，Sn，Cu)反應(yīng)層的生成導(dǎo)致Cu層與反應(yīng)層之間的結(jié)合力下降是引起接頭強(qiáng)度下降的主要原因．

圖11 經(jīng)過300次熱循環(huán)處理后的接頭斷口截面

3 結(jié)論

1)激光噴射釬料鍵合技術(shù)是一種極速加熱和冷卻的軟釬焊技術(shù)，常用的焊盤Au覆層在釬焊過程中不能全部溶入釬料，導(dǎo)致界面處形成Au+AuSn2+AuSn4多層金屬間化合物結(jié)構(gòu)．

2)對焊點的熱循環(huán)處理能夠加速界面的固相擴(kuò)散過程，最終導(dǎo)致殘留Au層的消失，并在原位形成(Au，Sn，Cu)反應(yīng)層．

3)熱循環(huán)處理會導(dǎo)致焊點嚴(yán)重強(qiáng)度下降，循環(huán)次數(shù)達(dá)到100次后，焊點強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定．界面(Au，Sn，Cu)反應(yīng)層的形成伴隨著Cu層與反應(yīng)層結(jié)合強(qiáng)度的下降是焊點強(qiáng)度下降的主要原因．

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(編輯 程利冬)

Thermal shock test of solder joint obtained by laser jet solder ball bonding method

WANG Xiao-lin1，LI Ming-yu1，WANG Chun-qing2
(1．Department of Materials Science，Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School，Shenzhen 518055，China;2．State Key Laboratory of Advanced Welding Production Technology，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)

To investigate the reliability of solder joint by laser jet solder ball bonding method，Au/Cu soldering pads were bonded with Sn3.0Ag0.5Cu solder ball．The joint strength was tested by micro-strength tester，the interfacial microstructures were analyzed using SEM and EDX，and the influences of thermal shock treatment on the evolution of interfacial microstructure and joint strength were investigated as well．Results show that the Au finish cannot completely dissolve into solder during the process of solder jet ball bonding，which leads to the formation of multilayer structure of AuSn2+AuSn4．After thermal shock treatment，the residual Au layer vanishes and(Au，Sn，Cu)reactive layer forms，which leads to the reduction of joint strength．

laser jet solder ball bonding;SnAgCu;thermal shock test;copper soldering pad

TG454

A

1005－0299(2011)03－0088－05

2010－06－04．

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目(2007AA04Z343)．

王曉林(1975－)，男，博士，講師;李明雨(1971－)，男，教授，博士生導(dǎo)師;王春青(1958－)，男，教授，博士生導(dǎo)師．

李明雨，E-mail:myli@hit．edul．cn．