回流次數(shù)對(duì)Au80Sn20/Cu焊點(diǎn)顯微組織及剪切性能的影響

劉文勝，湯婭，馬運(yùn)柱，黃宇峰

(中南大學(xué)粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙410083)

回流次數(shù)對(duì)Au80Sn20/Cu焊點(diǎn)顯微組織及剪切性能的影響

劉文勝，湯婭，馬運(yùn)柱，黃宇峰

(中南大學(xué)粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙410083)

采用回流焊接技術(shù)制備Au80Sn20/Cu焊點(diǎn)，研究其顯微組織和剪切強(qiáng)度隨回流焊接工藝參數(shù)之間的演變規(guī)律。結(jié)果表明：在焊接溫度為310℃時(shí)，焊點(diǎn)界面處形成的(Au,Cu)5Sn金屬間化合物(IMC)層隨回流次數(shù)增加而增厚；IMC形貌由層狀轉(zhuǎn)變?yōu)樯蓉悹睿詈蟪砷L為胞狀；焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度隨回流次數(shù)增加而下降，回流1次后剪切強(qiáng)度為82.94MPa，回流20次后下降至54.33MPa；且回流焊接次數(shù)對(duì)焊點(diǎn)斷口形貌和斷裂方式造成影響：1次回流后在Cu/IMC界面發(fā)生韌性斷裂；而3次和5次回流后斷裂面分別出現(xiàn)在焊料中和IMC中，為韌性脆性混合斷裂；回流次數(shù)超過10次后焊點(diǎn)發(fā)生脆性斷裂。

Au80Sn20焊料；回流焊；剪切性能；金屬間化合物；斷裂

金錫共晶合金(80%Au-20%Sn)焊料因具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電導(dǎo)熱率、優(yōu)良的抗疲勞及抗蠕變性能[1]，而被廣泛應(yīng)用于高端微電子封裝[2?3]及大功率半導(dǎo)體激光器芯片的焊接[4?5]等領(lǐng)域。激光二極管芯片和銅熱沉之間由金錫焊片來完成焊接。大功率LED芯片產(chǎn)生的熱量主要通過焊料、熱沉傳導(dǎo)的方式導(dǎo)出，由于激光二極管的發(fā)光效率隨溫度升高而急劇下降，因此將二極管在發(fā)光時(shí)所產(chǎn)生的熱量及時(shí)耗散出去就十分重要。散熱問題已成為制約大功率半導(dǎo)體激光器發(fā)展的核心問題[6]。然而焊料熱阻以及焊點(diǎn)質(zhì)量是決定激光器熱阻大小的關(guān)鍵因素，只有選擇可焊性好、焊接牢固可靠、導(dǎo)熱性好的焊料才能保證激光二極管的最佳使用性能[7]。銅由于具有易加工、高熱導(dǎo)率、與管芯接近的熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，成為最重要的熱沉材料[8]。王輝等[9]使用有限元法對(duì)不同焊料焊接激光器管芯和銅熱沉的情況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱模擬，其結(jié)果表明金錫焊料層的熱阻最小，使用Au80Sn20焊料焊接能夠保證激光二極管的最佳使用性能[10]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)Au80Sn 20焊料與Cu熱沉焊接的研究更多集中于焊點(diǎn)時(shí)效過程，描述不同時(shí)效溫度和時(shí)間后金屬間化合物層的形貌和生長特性[11]，但針對(duì)多次回流焊接對(duì)焊點(diǎn)可靠性影響的報(bào)道甚少。封裝焊點(diǎn)在多級(jí)組裝以及返工過程中需要經(jīng)過多次回流焊，其可靠性是一個(gè)非常值得關(guān)注的問題[12?13]，IMC層是焊料和基材之間形成機(jī)械和電子連接的基礎(chǔ)，其在焊接過程中的生長，粗化對(duì)焊點(diǎn)的壽命及可靠性都有一定程度的影響。因此，研究多次回流焊接對(duì)Au80Sn20/Cu焊點(diǎn)界面金屬間化合物(IMC)和剪切強(qiáng)度的影響，對(duì)增強(qiáng)焊點(diǎn)可靠性、解決大功率芯片散熱問題具有重要意義。本文研究回流次數(shù)對(duì)Au80Sn20/Cu焊點(diǎn)界面IMC層形貌的影響，建立IMC隨回流次數(shù)的生長動(dòng)力學(xué)模型，探討不同回流次數(shù)下焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度與斷口形貌及斷裂方式之間的關(guān)系，以期為Au80Sn20焊料的焊接接頭可靠性評(píng)估提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

本研究將熔鑄法制備的厚度為0.05 mm的Au80Sn20焊料加工為3 mm×3 mm×0.05 mm的焊片。將焊片與表面磨光、超聲清洗后的Cu條按圖1所示搭建Au80Sn20/Cu焊點(diǎn)剪切試樣，采用無氧銅試樣條，兩者互搭。

圖1 剪切試樣示意圖Fig.1Shear specimens (a)Side view;(b)Top view

圖2 回流焊接工藝曲線Fig.2Reflux curve of welding

采用氮?dú)獗Ｗo(hù)回流焊技術(shù)制備Au80Sn20/Cu焊點(diǎn)，根據(jù)Au80Sn20合金特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的回流焊接工藝曲線如圖2所示，梯形焊接曲線的預(yù)熱區(qū)升溫速度為2℃/s，預(yù)熱時(shí)間110 s，活化區(qū)溫度為250℃至280℃，回流區(qū)峰值溫度為310℃，焊接時(shí)間為60 s。使用北京威力泰F4N臺(tái)式回流焊機(jī)進(jìn)行回流焊接，回流次數(shù)分別為1，3，5，10，15和20次。對(duì)回流焊接后的焊點(diǎn)經(jīng)冷鑲、磨平、拋光處理后通過掃描電子顯微鏡(SEM)及能譜分析(EDS)觀察其顯微組織形貌并分析IMC層的相組成；利用photoshop軟件截出不同回流次數(shù)條件下所拍SEM照片的IMC部分，然后將其導(dǎo)入image tool軟件，測量IMC的面積，然后除以IMC與Cu基界面的長度，取3張圖片求得IMC的平均厚度。將焊后剪切試樣在美國Instron3369力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上測試剪切強(qiáng)度，拉伸速率為1mm/min。剪切強(qiáng)度由公式τ=Ps/A換算得出(其中τ為剪切強(qiáng)度，N/mm2(MPa)；Ps為最大剪切載荷(N)；A為剪切實(shí)驗(yàn)前搭接面積(mm?2))。剪切斷裂后斷口形貌特征通過掃描電子顯微鏡(SEM)及能譜分析(EDS)進(jìn)行表征。

2 結(jié)果及討論

2.1 回流次數(shù)對(duì)焊點(diǎn)顯微組織的影響

圖3所示為Au80Sn20/Cu焊點(diǎn)在310℃下回流焊接不同次數(shù)后界面的顯微組織。進(jìn)行1次回流后，Au80Sn20/Cu焊點(diǎn)界面處會(huì)形成白色的IMC層，其厚度較小且分布均勻，IMC/焊料界面平整、光滑；當(dāng)回流次數(shù)為3次和5次時(shí)，IMC層總體厚度增加，IMC向焊料基體內(nèi)部方向長大，由平整的層狀轉(zhuǎn)變?yōu)樯蓉悹罱Y(jié)構(gòu)；而回流10，15和20次后，IMC層繼續(xù)向焊料基體內(nèi)部方向長大，并形成突起的胞狀結(jié)構(gòu)，且不斷粗化。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)、計(jì)算，得出不同回流次數(shù)下IMC層平均厚度隨回流次數(shù)的變化規(guī)律，如圖4(a)所示。測得310℃條件下回流1，3，5，10，15和20次后IMC層的厚度分別為2.62，4.13，5.37，7.49，9.65和12.32μm。隨回流次數(shù)遞增，IMC層的厚度趨線性增加；根據(jù)Scheafer模型[14]，IMC層生長厚度與時(shí)間的關(guān)系為

圖3 回流焊接后Au80Sn20/Cu焊點(diǎn)縱向截面SEM照片F(xiàn)ig.3Cross-sectional SEM images ofAu80Sn20/Cu solder joint after reflow soldering (a)1 reflow;(b)3 reflow;(c)5 reflow;(d)10 reflow;(e)15 reflow;(f)20 reflow

圖4 Au80Sn20/Cu界面IMC厚度與(a)回流焊接次數(shù)和(b)總回流焊接時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.4Relationship between thicknesses of IMC and(a)reflow soldering cycles(b)reflow time

式中：T為IMC層的厚度；t為焊接時(shí)間(總回流焊接時(shí)間=回流次數(shù)×峰值溫度保溫時(shí)間[15])；K為生長系數(shù)；指數(shù)n≈0.5，時(shí)界面IMC層生長由組元擴(kuò)散控制；n≈1時(shí)，界面IMC層生長由界面反應(yīng)速率控制；0.5＜n＜1時(shí)界面IMC層的生長是由混合因素控制。由式(2)可求得n：

最后以lgT為縱坐標(biāo)，lgt值為橫坐標(biāo)作圖4(b)，求得斜率n為0.506 74，生長指數(shù)n≈0.5，故Au80Sn20/Cu焊點(diǎn)在310℃多次回流過程中界面IMC層生長由組元擴(kuò)散控制。

對(duì)回流不同次數(shù)后焊點(diǎn)的IMC層進(jìn)行EDS能譜分析，結(jié)果如表1所示，粗大的白色I(xiàn)MC相的成分x(Au+Cu):x(Sn)接近5:1，結(jié)合金錫二元相圖[16]，可知該反應(yīng)產(chǎn)物為固溶少量Cu的Au5Sn相，因此標(biāo)識(shí)為(Au,Cu)5Sn。Cu的成分比例隨回流次數(shù)的增加而變大，這是因?yàn)榛亓鞔螖?shù)增加，累計(jì)的擴(kuò)散時(shí)間延長，Cu原子進(jìn)一步向界面處擴(kuò)散積累。

表1 焊點(diǎn)IMC層的成分(摩爾分?jǐn)?shù)，%)Table 1Solder joint IMC layer composition (mole fraction,%)

2.2 回流次數(shù)對(duì)焊點(diǎn)剪切性能的影響

Au80Sn20/Cu焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度隨回流次數(shù)的變化曲線如圖5所示。從圖5可見：焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度隨回流次數(shù)增加而下降，回流1次后的焊點(diǎn)平均剪切強(qiáng)度最高，達(dá)到了82.94MPa，回流3，5，10，15次后的剪切強(qiáng)度依次為75.14，74.39，65.99和56.53MPa，而回流20次后即累計(jì)焊接時(shí)間達(dá)20min，焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度值下降至54.33MPa。為了研究剪切斷口的斷裂方式與焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度之間的關(guān)系，對(duì)斷裂后的焊點(diǎn)試樣進(jìn)行斷口正面及側(cè)向截面的掃描電鏡觀察，斷口正面形貌如圖6所示，斷口側(cè)向截面形貌如圖7所示。正面主要用于觀察斷口形貌，截面則主要用于觀察焊點(diǎn)斷裂部位及斷裂路徑。

圖5 Au80Sn20焊點(diǎn)在310℃回流不同次數(shù)后的剪切強(qiáng)度Fig.5Shear strength ofAu80Sn20/Cu joints reflowed at 310℃for various cycles

Au80Sn20/Cu焊點(diǎn)在310℃回流1次，剪切斷口形貌SEM照片如圖6(a)所示，斷口為白色底部表面分布著深灰色拋物線形狀的剪切型韌窩[17]，能譜分析結(jié)果表明灰白色底部為(Au,Cu)5Sn相，而深色拋物線狀組織為Cu。IMC層是剪切應(yīng)力最為集中的區(qū)域[18]，焊點(diǎn)斷裂通常出現(xiàn)在IMC層內(nèi)部及其與焊料界面處，但圖7(a)所示的斷口截面照片表明，焊點(diǎn)剪切斷裂發(fā)生在(Au,Cu)5Sn/Cu界面處。分析其原因，一方面，金屬間化合物(Au,Cu)5Sn的厚度僅為2μm且形貌為平整的層狀，(Au,Cu)5Sn/Cu界面較平整，應(yīng)力分布較均勻[19]；另一方面，(Au,Cu)5Sn相的剪切模量為21.6 GPa，高于Cu的剪切模量18.8 GPa，因此，在界面平整的情況下，剪切作用力會(huì)將銅板撕裂出伸長型的韌窩，這種斷口形貌說明剪切試樣的失效形式為韌性斷裂。

回流3次和5次后，焊點(diǎn)剪切斷裂均發(fā)生在IMC/焊料界面處及焊料基體內(nèi)部，斷口如圖6(b)和圖6(c)所示。焊點(diǎn)斷口表面形成了許多凹坑，凹坑周邊為Au80Sn20焊料基體，韌窩底部是成分為(Au,Cu)5Sn的IMC顆粒。這種韌窩的形貌與Sn-3.5Ag/Cu回流焊點(diǎn)剪切斷裂后形成的韌窩形貌一致[19?20]。圖8所示為該韌窩的演變過程，(Au,Cu)5Sn相由平整的層狀逐漸長大呈扇貝狀，與焊料界面不再平整，IMC層形狀越不規(guī)則，界面粗糙度越大，從而影響了界面的應(yīng)力分布，造成剪切作用力下界面局部的應(yīng)力過大，從而使IMC層突起處優(yōu)先出現(xiàn)裂紋[21]，裂紋沿45°擴(kuò)展至靠近IMC/焊料界面的焊料基體[22]，焊料被撕裂出了韌窩。裂紋起源于IMC層，擴(kuò)展至焊料中發(fā)生斷裂，焊點(diǎn)的失效形式有在焊料基體中的韌性斷裂，也有發(fā)生在IMC內(nèi)部的脆性斷裂，為韌性和脆性混合斷裂。

圖6 Au80Sn20/Cu焊點(diǎn)剪切失效斷口正面圖片F(xiàn)ig.6Top images of fracture surfaces ofAu80Sn20/Cu joints reflowed at 310℃for various circles (a)1 reflow;(b)3 reflow;(c)5 reflow;(d)10 reflow;(e)15 reflow;(f)20 reflow

回流10次、累計(jì)焊接時(shí)間10min后，IMC層的厚度進(jìn)一步增加。(Au,Cu)5Sn為脆性相，在多次升溫?降溫的循環(huán)后，IMC內(nèi)部由于熱應(yīng)力的積累出現(xiàn)了裂紋，內(nèi)部斷裂部位由IMC/焊料界面向IMC層內(nèi)部轉(zhuǎn)移，斷裂基本都發(fā)生在IMC層內(nèi)部，斷口較為平齊，部分位置呈現(xiàn)出準(zhǔn)解理形貌；隨回流次數(shù)增加，15次回流后，IMC晶粒明顯粗化，如圖6(e)所示，其斷口截面如圖7(c)所示，胞狀I(lǐng)MC中出現(xiàn)大量不規(guī)則的裂紋，使得斷口變得更為復(fù)雜和粗糙不平，斷口粗糙度的增加使得回流次數(shù)20次后焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度下降速率減緩?；亓鞔螖?shù)大于10次后，Au80Sn20/Cu焊點(diǎn)剪切斷裂機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔选?/p>

回流次數(shù)可影響斷口形貌和斷裂部位，焊點(diǎn)在Cu/IMC界面發(fā)生韌性斷裂時(shí)剪切強(qiáng)度最高隨回流次數(shù)增加為3~5次，斷裂方式轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性脆性混合斷裂，焊點(diǎn)強(qiáng)度有所降低；當(dāng)回流次數(shù)達(dá)到10次以上時(shí)焊點(diǎn)發(fā)生脆性斷裂，其剪切強(qiáng)度持續(xù)下降。

圖7 Au80Sn20/Cu焊點(diǎn)剪切失效斷口截面照片F(xiàn)ig.7Cross sectional images of Au80Sn20/Cu joints reflowed at 310℃for various circles (a)1 reflow;(b)5 reflow;(c)15 reflow

圖8 斷口表面IMC/Solder界面處韌窩形成演變圖Fig.8Evolution of dimple morphologies (a)Unloaded;(b)Protruded IMC starts to break;(c)The crack propagates toward the solder;(d)Dimple morphology forms

3 結(jié)論

1)Au80Sn20/Cu焊點(diǎn)在310℃下焊接界面生成(Au,Cu)5Sn相，隨回流次數(shù)增加，界面IMC層厚度增加，且不斷粗化。IMC形貌由層狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯蓉悹钭詈笮纬闪舜执蟮陌麪罱M織。

2)隨回流次數(shù)增加，Au80Sn20/Cu焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度呈下降趨勢，1次回流后焊點(diǎn)剪切強(qiáng)為83MPa，20次回流后，焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度下降到54.33MPa。

3)回流次數(shù)影響斷裂位置、斷口形貌及斷裂方式?；亓?次剪切斷裂均發(fā)生在Cu/IMC基板界面處，為韌性斷裂；3次和5次回流后斷裂發(fā)生在IMC/焊料界面及焊料基體處，為韌性和脆性混合斷裂?；亓鞔螖?shù)為10，15和20次后斷口逐漸變得粗糙，為脆性斷裂。

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(編輯：高海燕)

Effects of multiple reflows on microstructure and shear properties ofAu80Sn20/Cu joint

LIU Wensheng,TANG Ya,MAYunzhu,HUANG Yufeng
(State Key Laboratory of Powder Metallurgy,Central South University,Changsha 410083,China)

The Au80Sn20/Cu solder joint was prepared by reflow soldering.The effect of reflow soldering cycles on the shear strength as well as microstructure of solder joint were investigated.The results show that as the reflow soldering cycles increase at 310℃,the thickness of the(Au,Cu)5Sn interfacial intermetallic compound(IMC)layers increases.The morphology changes from layered growth into a scalloped,and finally into cellular.The shear strength of the solder joint decreases with increasing the reflow cycles,and decreases from 82.94MPa after one cycle to 54.33MPa after twenty cycles.The fracture type is ductile in solder matrix after one cycle.After three and five reflow soldering cycles,the fracture surface is found partly in the bulk solder and partly on the IMC layer.The fracture type belongs to the mixed ductile and brittle manner.When the solder joints reflow more than ten cycles,the fracture is brittle.

Au80Sn20 solder;reflow soldering;shear property;intermetallic compound;fracture

TG14

A

1673?0224(2016)02?303?08

國家高技術(shù)研究發(fā)展規(guī)范(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2012AA03A704)

2015?03?27；

2015?05?07

馬云柱，教授，博士。電話：0731-88877825；Email:zhuzipm@csu.edu.cn