無鉛錫銀密封焊試驗(yàn)及可靠性分析

海 洋

（中國電子科技集團(tuán)公司第10研究所，成都 610036）

1 引言

微波毫米波組件的氣密封裝一直是要求非常高的一項工藝技術(shù)，且封裝氣密性是最重要的可靠性指標(biāo)之一。目前，在該領(lǐng)域里，常用的氣密封裝技術(shù)除了電阻焊（如平行縫焊）和激光縫焊之外，其他主要為釬焊密封。電阻焊大多屬于自動或半自動密封焊接，而釬焊密封則非常適合手動操作，且主要針對不規(guī)則、難度較大的焊接。工業(yè)上，常用的釬焊焊料主要為：Au20Sn（280 ℃），因其密封性能和耐高溫性能好，在微波毫米波模塊階梯焊接工藝中常被使用[1]。然而，Au20Sn熔點(diǎn)高不利于混裝工藝，成本也高[2]，代價太大，若能夠找到熔點(diǎn)溫度相對較低且具有與金錫合金性能相同或相近的廉價共晶焊料作為替代品就完美了。有研究[3～8]發(fā)現(xiàn)熔點(diǎn)在217～221 ℃，具有與金錫合金某些類似性能的錫銀系合金非常適合用作密封焊料。尤其是錫銀系三元合金焊料SAC（Sn-Ag-Cu）是目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界一致看好的無鉛焊料[9]。為此，本文選用了與SAC類同的Indium8.9 T3-83.5% Sn3.5Ag合金焊料作為研究對象。該焊料的共晶溫度為221 ℃，遠(yuǎn)低于Au20Sn的共晶溫度280 ℃，且又高于Sn37Pb的183 ℃，因此從數(shù)據(jù)上看Sn3.5Ag不僅適合于混裝工藝要求，而且也非常適合作為金錫氣密封焊的補(bǔ)充。此外，本文還將Sn3.5Ag（221 ℃）和Cu80W鍍金底板及柯伐鍍金圍框作為工藝試驗(yàn)組件，目的為通過開展可焊性試驗(yàn)以驗(yàn)證該焊料的焊接性能。同時開展圍框與鎢銅底板的焊接試驗(yàn)，以驗(yàn)證焊料焊接后的致密性，從而為該焊料的批量應(yīng)用奠定理論研究基礎(chǔ)。整個試驗(yàn)過程按照研究的先后順序進(jìn)行，即可焊性試驗(yàn)—焊接試驗(yàn)—焊接后的檢測試驗(yàn)—研究結(jié)論。

2 試驗(yàn)設(shè)計

2.1 可焊性試驗(yàn)

試驗(yàn)方法：在Cu80W底板鍍金層上進(jìn)行，假設(shè)鍍金層是絕對均勻的，采用電鍍鍍鎳鍍金工藝，鍍金層厚度為 0.3 μm～0.5 μm，鍍鎳層厚度 0.7 μm，用于試驗(yàn)的Sn3.5Ag（221 ℃）Indium8.9 T3-83.5%焊料焊膏形態(tài)一致，均為針管狀，并從針管處擠出。用于焊接試驗(yàn)的焊膏所取質(zhì)量為0.07 g左右。試驗(yàn)時，將所取焊料放置在Cu80Wu底板上（焊膏使用方法按照文中2.2節(jié)所述進(jìn)行），在270 ℃焊接溫度下熔化后，觀察焊料的鋪展性及在鍍金層上的形態(tài)。

圖1 Sn3.5Ag焊膏

圖2 Sn3.5Ag鋪展結(jié)果（酒精清洗后）

2.2 焊接試驗(yàn)

焊接前準(zhǔn)備：將焊膏從專用冷藏冷凍冰箱中取出，在室溫下放置120 min，觀察焊膏形態(tài)，呈現(xiàn)與常溫狀態(tài)一致即可。清洗柯伐鍍金圍框及Cu80W底板等，清除表面污垢、印跡，注意不能傷及鍍金層及其他焊接部位。操作過程中應(yīng)戴好指套。清洗時，使用無水酒精、脫脂棉球、手術(shù)刀及鎢針等工具進(jìn)行操作，焊膏從針管中擠出后，應(yīng)該放置在干凈的玻璃皿上。

2.3 涂敷焊膏

焊膏涂抹均勻，厚度控制在0.5～1.0 mm之間。焊接溫度參照表1。

表1 焊接溫度表

圖3 焊接組件

如圖3所示，A、B兩個柯伐鍍金圍框通過Sn3.5Ag焊接在鍍金Cu80W底板上，形成Sn3.5Ag的密封焊接，而后續(xù)檢測及分析工作則圍繞該焊接樣件進(jìn)行。

經(jīng)過噴氦檢漏后，發(fā)現(xiàn)A、B兩個圍框的漏率均滿足＜ 10-8（Pa·m3）/s的要求。

3 X-ray檢測

3.1 被檢測件

檢測位置如圖4所示。

圖4 檢測位置

3.2 檢測方法及依據(jù)

依據(jù)GJB 548B-2005微電子器件試驗(yàn)方法和程序2012.1 X射線照相，對樣品指定的位置進(jìn)行X-Ray檢查，X-Ray的檢查區(qū)域主要為圖4所示的圍框A和圍框B區(qū)域。

3.3 檢測結(jié)果分析

利用FXS-160.40X射線系統(tǒng)檢測設(shè)備對縫焊后的圍框樣件焊接層進(jìn)行了檢測，檢測后沒有發(fā)現(xiàn)虛焊、裂紋等缺陷，如圖5和圖6，但會有如圖7所示的空洞。經(jīng)檢測焊接后的A、B圍框的空洞率低于5%。

圖5 圍框A的X-ray檢測結(jié)果

圖6 圍框B的X-ray檢測結(jié)果

圖7 焊接空洞

4 切片檢測及SEM掃描

4.1 檢驗(yàn)樣件

參考GJB362B-2009、GJB548B-2005標(biāo)準(zhǔn)，將樣品用環(huán)氧樹脂鑲嵌后進(jìn)行研磨拋光，直到劃痕和污斑消失，微蝕漂洗干凈后，在金相顯微鏡下觀察檢查并用SEM測量IMC層厚度。

圖8 切片樣件

4.2 檢驗(yàn)環(huán)境及方法

溫度 25～26 ℃，濕度 58%RH～60%RH。

試驗(yàn)方法參照：（1）GJB548B-2005微電子器件試驗(yàn)方法和程序方法2018.1 SEM檢查；（2）GJB 362B-2009 剛性印制板通用規(guī)范4.8.3顯微剖切檢驗(yàn)。

4.3 切片檢測結(jié)果分析

圖9～圖12所示為樣品剖切面示意圖，從圖中可以清楚地看到Sn3.5Ag在圍框與Cu80W鍍金底板之間形成了一層非常致密且均勻的焊錫層，再配合X-ray焊透率檢測結(jié)果，可以說明樣件采用Sn3.5Ag封焊的效果比較好。

圖9 剖切面

圖10 圍框局部放大

圖11 剖切面

圖12 圍框局部放大

但是從圖中也可以看到在堆積起的焊料內(nèi)部，會有若干黑色的“圓點(diǎn)”，這些“圓點(diǎn)”其實(shí)是空洞?？斩词紫葧Ψ夂傅臍饷苄栽斐蓢?yán)重的影響。其次會對焊接的強(qiáng)度及可靠性產(chǎn)生較深遠(yuǎn)的影響，倘若在高溫高濕的環(huán)境條件下，焊料抵抗疲勞的能力急速下降，空洞所產(chǎn)生應(yīng)力極有可能導(dǎo)致焊料疲勞失效。

5 IMC厚度測量

Sn3.5Ag在柯伐鍍金圍框與Cu80W鍍金底板之間焊接時，會發(fā)生界面反應(yīng)形成金屬間化合物，即IMC。通常認(rèn)為IMC量過大、過厚、不均勻?qū)附拥目煽啃圆焕鸞10～11]。所以文中最后還對IMC厚度進(jìn)行了測量，并在圖13中展示了樣件的IMC界面。同時在表2中列出了圍框A中形成的IMC若干點(diǎn)的厚度值。

圖13 焊料層及IMC層

表2 IMC厚度測量結(jié)果

6 結(jié)論

本文采用了Sn3.5Ag（221 ℃）Indium8.9 T3-83.5%的焊膏，首先做了鋪展試驗(yàn)，然后又開展了圍框的密封焊試驗(yàn)，最后對焊接后的樣件做了X-ray焊透率及焊接層面微觀檢測分析并測量了IMC厚度。研究結(jié)果表明：

（1）Sn3.5Ag焊料的鋪展性好，這與Indium公司產(chǎn)品所述性能一致；

（2）在X光透射下柯伐鍍金圍框的空洞率低于5%；

（3）對樣件切片后，可以觀察到Sn3.5Ag在鍍金層上形成的焊料層均勻且非常致密，只是焊料內(nèi)部的空洞會嚴(yán)重影響焊接的密封性和可靠性；

（4）拿圍框A做厚度檢測，發(fā)現(xiàn)IMC厚度最大為 1.64 μm，最小為 0.37 μm。

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