LTCC表面金屬化的可焊性研究

劉炳龍，閔志先

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230088）

1 引言

新一代相控陣?yán)走_(dá)作為高新電子武器裝備的骨干，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中不可缺少的一員。一部相控陣?yán)走_(dá)少則數(shù)百個(gè)、多則幾千個(gè)乃至上萬個(gè)多芯片微波組件，其性能的好壞直接影響相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)[1]。因此，多芯片微波組件不僅要求有高功率、低噪聲和高精度移相、衰減等優(yōu)良的電性能指標(biāo)，同時(shí)還要求幅相一致性好、可靠性高等。

微波組件接地不良會(huì)引起電場(chǎng)畸變，導(dǎo)致幅頻持性變化乃至自激。接地不可靠是造成電路性能不穩(wěn)定和變化的主要原因。微波電路基板采用面焊接技術(shù)，把基片釬焊到電路盒體是最佳的接地方案。而釬透率直接反映接地效果，是整個(gè)技術(shù)的重要指標(biāo)。電路基板的大面積接地釬焊的缺陷對(duì)微波電路的性能影響較大，通過工藝過程中采取相應(yīng)措施，減少釬焊缺陷，提高釬焊的釬透率，保證微波電路基板接地的一致性和可靠性。

本文以某型雷達(dá)中的多芯片微波組件為研究對(duì)象，通過改變LTCC的表面金屬化方式和焊料，開展基板可焊性工藝技術(shù)研究，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多芯片微波組件中電路基板的高一致和高可靠的釬焊工藝。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

由于組件或模塊組裝過程中可能會(huì)經(jīng)歷多次焊接，為了消除后道焊接對(duì)前道組裝的影響，前道的組裝溫度必須比后道焊接溫度高。為了滿足組裝需求，開發(fā)出多種熔點(diǎn)的共晶焊料。本文分別采用低溫、常溫和高溫區(qū)間對(duì)應(yīng)的典型Sn基焊料InSn、PbSn和AuSn，具體成份和熔點(diǎn)如表1所示。

InSn合金是一種典型的低熔點(diǎn)合金，具有較好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，其熔點(diǎn)僅為117 ℃，且與常見的金屬化層具有較好的潤(rùn)濕性。PbSn合金以其優(yōu)異的電學(xué)和力學(xué)性能、合理的熔點(diǎn)及低廉的價(jià)格被廣泛應(yīng)用于電子裝聯(lián)領(lǐng)域，其熔點(diǎn)為183 ℃，在絕大多數(shù)電子元器件承受的溫度范圍內(nèi)，因此，PbSn焊接又稱為常溫焊接。AuSn合金為典型的高溫焊料，其具有較好的力學(xué)性能、焊接無需助焊劑且鋪展性能較好，熔點(diǎn)達(dá)到280 ℃。

表1 焊料的成份及熔點(diǎn)

LTCC基板采用DuPout951生瓷片和PdAg漿料作為導(dǎo)體，經(jīng)過沖孔、絲網(wǎng)印刷、填孔、疊層和等靜壓等工藝后，經(jīng)850 ℃共燒而成。LTCC表面改性則采用電鍍工藝，分別在其接地面上依次電鍍Cu、Ni和Au層。

采用的釬焊設(shè)備為還原氣氛燒結(jié)爐。按照LTCC基板的形狀裁出In-Sn和Pb-Sn焊片和Au-Sn焊片，將裝配好焊片的LTCC基板放置于燒結(jié)爐的熱臺(tái)上，關(guān)閉爐門后根據(jù)圖1中的溫度和氣氛設(shè)置進(jìn)行焊接。為了防止焊接過程中焊料的氧化，升溫前采用抽真空、充氮?dú)膺M(jìn)行循環(huán)，進(jìn)而降低爐腔內(nèi)的氧氣和水蒸氣等有害氣體。為了減小升溫對(duì)焊接件的熱沖擊，在升至一定溫度后，保溫并通入還原氣氛。當(dāng)熱板升溫至焊接溫度，保溫3 min，后采用氮?dú)膺M(jìn)行冷卻。待爐內(nèi)溫度降至50 ℃以下后，打開爐腔，取出焊接件。通過尺寸精度測(cè)量?jī)x對(duì)LTCC基板進(jìn)行拍照，觀察焊料在LTCC金屬化層上的潤(rùn)濕和鋪展情況，通過測(cè)量焊料的鋪展面積與LTCC基板焊接面積的比值，將LTCC基板可焊性分為優(yōu)、良、中和差四等，具體劃分如表2所示。

表2 可焊性劃分標(biāo)準(zhǔn)

圖1 還原氣氛焊接過程中溫度曲線及氣氛

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2 焊料在不同鍍層上的潤(rùn)濕面積比

圖2為InSn、PbSn和AuSn焊料分別在PdAg、Cu/Ni/Au和Cu/Ni/Sn金屬化層上的潤(rùn)濕面積比。由圖可知，PdAg導(dǎo)體上潤(rùn)濕性面積比都較小，而電鍍Cu/Ni/Au和Cu/Ni/Sn后，焊料的潤(rùn)濕性明顯提高。

表3 不同鍍層和焊料時(shí)LTCC基板的可焊性

LTCC基板的可焊性主要取決于焊料在其表面金屬化層上的潤(rùn)濕和鋪展[2]，根據(jù)表2對(duì)可焊性的劃分可知，焊料在不同金屬化層上的可焊性如表3所示。由表可知，LTCC表面原始燒結(jié)層PdAg耐焊性差，不適宜進(jìn)行組裝焊接。而Pb-Sn焊料對(duì)PdAg導(dǎo)體產(chǎn)生了嚴(yán)重的溶蝕行為，PdAg導(dǎo)體被局部完全溶解而露出LTCC上的接地孔，如圖4所示。

焊料在金屬化層表面潤(rùn)濕時(shí)，滿足楊氏方程：

式中γs、γsl、γl和θ分別為固相界面能、固液兩相界面能、液相界面能和潤(rùn)濕角。當(dāng)θ=0時(shí)表示焊料在母材表面完全潤(rùn)濕；當(dāng)θ=180°時(shí)表示焊料在母材表面完全不潤(rùn)濕[3]。本研究中InSn焊料在PdAg導(dǎo)體上呈規(guī)則的球形，如圖3所示。此時(shí)θ=180°，低溫焊料In-Sn在厚膜導(dǎo)體PdAg上呈球狀，表現(xiàn)為典型不潤(rùn)濕。PbSn焊料與PdAg具有較好的潤(rùn)濕性，PdAg漿料中Pd的含量?jī)H為15%左右。當(dāng)溫度為232 ℃時(shí)，盡管Pd在PbSn焊料中的熔解速率僅為0.036 μm/s，但主要成份Ag在PbSn焊料中的溶解速度達(dá)到1.11 μm/s[4]，且焊接時(shí)間為180 s，而厚膜PdAg的厚度僅為20 μm左右，故本研究中PbSn焊料對(duì)PdAg導(dǎo)體出現(xiàn)了溶蝕現(xiàn)象。

圖3 In-Sn合金在PdAg厚膜導(dǎo)體上的潤(rùn)濕性

圖4 Pb-Sn合金對(duì)PdAg厚膜導(dǎo)體的溶蝕

為了提高LTCC基板的可焊性，通過表面改性對(duì)LTCC基板進(jìn)行電鍍，鍍層分別為Cu/Ni/Au和Cu/Ni/Sn。Cu層是為了提高表面鍍層與PdAg導(dǎo)體的附著力，Ni層主要作為阻擋層，而表面Au和Sn層則主要是為了防氧化且提高焊料的潤(rùn)濕性。由表3可知，Cu/Ni/Au鍍層顯著提高PbSn和AuSn焊料的可焊性。Au很容易溶解于PbSn等焊料，但阻擋層Ni則幾乎不溶于PbSn焊料，同時(shí)與Ni層形成金屬間化合物，進(jìn)一步阻止了焊料對(duì)金屬化層的溶蝕[5]。InSn合金主要是由于焊接溫度較低，對(duì)Au層的熔解效果較差，且生成金屬間化合物也比較困難，故可焊性較PbSn和AuSn焊料差。

由于Sn的熔點(diǎn)僅為232 ℃，且為焊料的主要成份之一，故InSn和PbSn焊料與Sn鍍層具有較好的親和力，且焊接過程中，也能夠與Ni形成不溶于焊料的金屬間化合物，故Cu/Ni/Sn鍍層則提高了InSn和PbSn焊料的可焊性。而AuSn焊料的可焊性不佳可能是由于AuSn焊料的焊接溫度較高，在AuSn焊料融化前，NiSn之間產(chǎn)生冶金反應(yīng)生成大量的NiSn金屬間化合物，而無法與AuSn焊料之間進(jìn)行潤(rùn)濕鋪展[6]，故采用AuSn焊料的Cu/Ni/Sn鍍層可焊性較差。

綜上所述，影響LTCC基板可焊性的主要因素有：（1）金屬化層上焊料需具有良好的潤(rùn)濕和鋪展性能；（2）焊料對(duì)金屬化層具有較小的熔解速率；（3）焊料與鍍層之間必須具有匹配的焊接溫度，進(jìn)而才能獲得較好的界面連接狀態(tài)。綜合考慮電鍍工藝的穩(wěn)定性及成品率，最終選擇LTCC表面鍍Cu/Ni/Sn和鉛錫焊料組合進(jìn)行LTCC基板的焊接方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，焊接的釬透率達(dá)到了95%以上，工程應(yīng)用結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

圖5 PbSn焊料在LTCC基板 Cu/Ni/Sn上釬焊的X-Ray圖

4 結(jié)論

通過對(duì)金屬化方式和焊料對(duì)LTCC基板可焊性的研究，獲得主要結(jié)論如下：

（1）LTCC共燒的厚膜PdAg導(dǎo)體可焊性較差，In-Sn和Pb-Sn焊料在其表面分別出現(xiàn)了不潤(rùn)濕和溶蝕現(xiàn)象。

（2）通過對(duì)LTCC基板導(dǎo)體進(jìn)行電鍍改性，Cu/Ni/Au鍍層提高Pb-Sn和Au-Sn焊料的可焊性，而Cu/Ni/Sn鍍層則提高了In-Sn和Pb-Sn焊料的可焊性。

（3）金屬化層上焊料的潤(rùn)濕和鋪展、焊料對(duì)金屬化層的熔解速率和焊料與鍍層之間焊接溫度的匹配性是影響金屬化層可焊性的主要因素。

（4）通過方案優(yōu)化，采用Cu/Ni/Sn鍍層和PbSn焊料進(jìn)行LTCC基板焊接的釬透率大于95%。

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