LTCC 基板用金錫焊接中的焊料控制

申忠科，董一鳴，劉思棟

（南京電子器件研究所，南京 210016）

LTCC 基板用金錫焊接中的焊料控制

申忠科，董一鳴，劉思棟

（南京電子器件研究所，南京 210016）

針對在 LTCC 基板與殼體大面積金錫焊接可能出現(xiàn)的焊料溢出和堆積問題，提出了幾種針對性的開槽或基板下沉控制焊料流淌的方法并進行了討論。最終實現(xiàn)了無溢出焊接，X射線照片結果顯示基板和殼體焊合孔隙面積在 10%以內。

金錫焊料；大面積焊接；焊料控制

1 引言

Au-Sn 是微電子封裝中廣泛使用的一種合金[1]，也是熔點在 300 ℃左右能替代含鉛釬料且焊接性良好的一種重要焊料[2]，尤其是 Au80Sn20 共晶焊料。它具有導熱性較好、熔點低、流動性好、抗熱疲勞和蠕變性能優(yōu)良、強度高以及飽和蒸汽壓低等諸多優(yōu)點，隨著電子器件行業(yè)的迅速發(fā)展，其作用越來越突出，需求市場也在不斷擴大。

采用 Au-Sn 焊時，一般器件或封裝殼體表面會首先鍍覆金層以利于焊料潤濕。然而由于此焊料本身對Au的親和性好，釬焊加熱過程中鍍層的 Au會迅速進入熔融焊料從而使其成分改變，進而熔點迅速提升。如圖1 所示，以常見的 Ag72Cu28 共晶焊料為對比，Au80Sn20 在共晶點附近隨著 Au 成分的增加，熔點變化的曲線十分陡峭，而 Ag72Cu28 則相對平緩。一般而言，釬焊溫度在液相線溫度以上 30～50 ℃為宜，在Au-Sn 焊時，成分改變對熔點變化的影響更顯著，所以隨著Au的熔入，熔融合金熔點較易升高到釬焊溫度以上進而凝固，表現(xiàn)為液相存在區(qū)間相對狹窄，而且流散性相對有限（易凝固堆積）。

在涉及到大面積焊接時，以基板在殼體上的焊接為例，采用 Au-Sn 焊時，考慮到其流散性，為了鋪滿整個基板底部區(qū)域，采用的焊料片往往只比基板尺寸略小，焊料量較多，無可避免會溢出。若是 Ag-Cu 焊時，焊料能大面積鋪展，影響相對較??；而采用 Au-Sn 焊時焊料易堆積，堆積區(qū)域平面平整度變差，從而使得后續(xù)其他器件的貼裝難以進行，必須避免。

本文研究了一類采用開槽或基板下沉方式控制焊料溢出的方法。值得注意的是，在 GJB2440A-2006中一般要求散熱板等板材焊料外溢厚度不超過 0.25mm，實際在一些宇航級產品中更是要求焊料堆高小于0.05 mm。此外，還應充分考慮焊后孔隙率是否滿足要求——對尺寸小的基板，平整度等影響小，孔隙率一般要求在 15%以內；而對本文中面積較大基板的普遍標準是孔隙率要在 25%以下。

圖1 兩種共晶焊料二元相圖[3]

2 焊料調節(jié)槽的設計

要對 Au-Sn 焊料進行控制，首先要從其潤濕和鋪展行為上進行分析。就潤濕而言，Au-Sn 焊料與殼體結構鍍金層有良好的互熔特性，所以潤濕性相對良好。鋪展則由于存在前文所述的Au溶解以及顯著的熔點提升所以有局限。圖2是一類基板分別采用厚度為0.075 mm 和 0.05 mm 焊料片在殼體底部平面焊后，焊料溢出的情況 (為定位方便基板對應殼體區(qū)域上挖了尺寸比基板略大、深度 0.2 mm 的鑲嵌槽，基板規(guī)格約35 mm×45 mm)。可見前者焊料溢出和堆積非常嚴重，后者雖然明顯改善，但是多余焊料依舊溢出，并呈圓斑狀堆積(實測高度可能達到 0.1 mm 以上)。實際生產中，基板本身有翹曲，殼體也有平面度限制，繼續(xù)減小焊料厚度會增加虛焊風險，而且也依舊難以保證焊料不溢出和堆積，所以需要設計合理的焊料調節(jié)槽進行控制。

圖2 焊料量對溢出的影響

在焊料鋪展過程中，熔融焊料與鋪展固態(tài)面間潤濕并產生彎曲液面，由 Young-Laplace 方程可知，彎曲液面引入附加壓力，具體值為：

式中 P為彎曲液面兩側附加壓力差，σ 為液體表面張力，R1和 R2分別為曲液面兩個垂直方向的曲率半徑，如圖3（a）所示。

彎曲的焊料液面成為了焊料鋪展的推動力。假設將無限大的兩個平板間隔很小地垂直插入焊料液面，如圖3（b）所示，則液面由于附加壓力作用會抬升，直至與液體重力達到靜力平衡，在任一時刻：

式中 ΔP 為附加壓力與重力之差，ρ為液體密度，y為任意時刻提升高度，θ為接觸角，a 為平板間隙，g 為重力加速度。

當 ΔP=0 時，焊料液面提升最大高度：

式（4）為水平放置的平板中液體流動速度方程，式中 v 為液體速度，a 為平板間隙，η 為液體粘度，如圖3（c）所示。

由于水平狀態(tài)沒有重力，焊料流動只受彎曲液面

實際液體在流動中還受到粘滯阻力影響，而且焊料鋪展更是在水平條件下進行，假設只考慮內摩擦阻力，則可參考流體力學中平板層流定常流動的速度大小隨高度變化方程：附加壓力的推動，且此壓力值恒定，則式(4)中的 dP/dx1即相當于式(2)中消去重力后的值 2σcosθ/a，此值代入式(4)中，可求出 y1=a/2 時有最大速度值：

則以式(5)的最大速度作為焊料鋪展速度，得到填縫長度L與時間的關系：

式（6）可以解釋焊料填縫過程：式（3）決定了液體焊料填縫高度，若水平焊縫寬度大于最大填縫高度，則液體不能完成爬升，也無法在兩個面之間構成曲液面從而促進潤濕鋪展；式（6）決定了鋪展面積，對同種焊料，理論上焊縫間隙越大，因流體粘滯力造成的損耗越小，鋪展速度和單位時間內鋪展面積都較大（焊料充足的情況下）。所以焊縫間隙要在填縫高度和填縫能力之間綜合考慮。

綜上所述，本文構造了一類 V 型槽，這類槽下端間隙小，毛細作用強烈，鋪展推動力較大，能較好地推動焊料流動，從而防止堆積，即使溢出量較少也能產生作用；而上端間隙較大，即使某處大量溢出也能保證導流速度，相對于等寬槽更能兼顧毛細流動與焊料的容納量。

圖3 毛細作用示意圖[4]

3 試驗與結果分析

本文采用的材料包括：AlSi50 板，開槽后進行鍍覆，具體為鍍 Ni約 2 μm，再鍍 Au 約 2 μm，平面度實測在 0.03 mm 以內，表面粗糙度 3.2 μm 以內，基板在其上焊接；LTCC 基板，待焊面的共燒金層厚度約 8μm，平面度實測在 0.06 mm 以內，表面粗糙度 3.2 μm 以內；金錫焊料，成分為 Au80Sn20，片狀。

3.1 開槽形式

AlSi50 板需開的 V 型槽開角為 30°，采取了四種不同的 V 型槽分布形式，如圖4 所示，表1 則為具體開孔形式說明。

圖4 不同控制槽分布形式

表1 開槽形式說明表

表1 中內槽型指開槽形狀如同“王”字、處于相對基板中間區(qū)域的槽；外圍型指沿著基板輪廓、V 開口上端設計尺寸一半暴露在外另一半在基板底部的整圈閉合的開槽。

3.2 焊接工藝

試驗采用焊料厚度為 0.05 mm，設計尺寸比基板輪廓整個邊沿內縮 0.1 mm，按如下工藝進行焊接：

（1）焊接前，將平板、Au-Sn 焊料以及基板在石墨板上依次疊放，在顯微鏡下?lián)苷鄬ξ恢?，注意焊料不要超出V型槽或下沉最外邊沿；

（2） 在基板上中心位置置一重約 50 g 的重塊，壓住以防止周轉過程中基板和焊料移動；

（3）端取石墨板，將整個待焊結構放入釬焊爐中，設置溫度曲線為 250 ℃以下升溫速率 10 ℃/min，至250 ℃保溫 1 min 后，5 ℃/min 升至 335 ℃保溫 3 min后，爐冷至室溫取樣。

3.3 形貌觀察

采用上述工藝焊接，分別對四種狀態(tài)形貌進行考察，形貌如圖5所示。

圖5 不同開槽方式對應的焊料控制效果

由圖5 可以看出，類型 4 相對于圖2（b），焊料溢出和堆積都有減少；其次是類型 1，類型 2 和類型 3 則基本無焊料外溢，原因如下：

（1）類型 4 相對于未開槽狀態(tài)，V 型槽起到有效作用，承擔了部分焊料的分流，但槽深有限，所以容納焊料量有限，依舊有溢出；

（2）類型 1 采用的“王”字型結構，且槽深度為0.5 mm，V 槽可容納焊料量進一步增加，所以溢出也進一步減少；

（3）類型 3 為平板無下沉、四周開一圈深度 0.5 mm槽的結構，V 槽總長相對于“王”字型結構更大，所以容納能力比類型1更強，也表現(xiàn)出更好的形貌。此處邊沿略微有溢出，但沒有明顯堆積，應當為前期焊料被迅速擠出過焊料槽，而多余焊料最終仍被V槽導流吸回留下的痕跡；

（4）對比類型 3 和類型 4，類型 4 下沉 0.2 mm 的側壁與基板間也構成了一道槽，加上 V 槽自身 0.3 mm，實際焊料容納量不比類型 3 小，但溢出卻嚴重很多，說明V槽是一類很有效果的焊料控制；

（5）類型 2 外觀最為美觀，同時開槽長度也最大。對其進行 30倍的局部放大觀察可以看出，外輪廓 V槽明顯有焊料流動痕跡，槽中焊料前端和上表面都呈現(xiàn)曲液面。某些段V槽幾乎被填滿也沒有溢出，應當是大量擠出焊料被導流的結果，也說明了V槽的效果。

3.4 X 射線分析

對基板焊接質量的另一項重要內容是焊后孔隙面積，焊接孔隙面積過大，對基板焊合強度和散熱指標都十分不利。為此對上述不同類型開槽板焊后進行了X射線分析，結果如圖6所示。

圖6 不同開槽方式焊后X射線照相

從上述結果可以看出，類型2和類型3相對存在的孔隙較多，分別達到 4.07%和 7.91%，因為此時兩者開槽能容納焊料量多，在焊料不能填滿槽的情況下，部分氣體不能排除形成釬焊中典型的“小包圍”[5]結構從而造成了孔隙。但這類孔隙面積都在 10%以下，能滿足正常需求。此外，類型 2 邊緣無焊料溢出，類型 3溢出堆高實測在 0.01 mm 以內，也符合宇航級標準要求。從類型4結果可以明顯看出V槽已經(jīng)整個填滿，焊料不可能整圈溢出，所以只能是自身流動作用，證明了V槽良好的導流效果；類型2中存在細碎孔洞，同時V槽也有大量未填充滿的空白，說明即使V槽在設計容納量明顯偏大的情況下，也不會導致焊料量不足。這是因為底端毛細作用較強的部位在首先被填充后，剩下V槽較寬的上端相對于基板和底部構成的水平槽不存在較大的毛細優(yōu)勢，所以最終形成了某種平衡狀態(tài)，不會源源不斷吸引焊料造成空隙增大。

4 結論

采用一類基板焊接區(qū)四周整圈開V型槽或者整圈及內部都開V型槽兩種形式，可以有效避免基板大面積焊中的焊料溢出和堆積，焊后孔隙率在 10%以內，能較好避免焊后因焊料堆積造成的裝配失效，也大大提高了焊后處理的效率。

[1]王濤.金錫焊料低溫焊料焊工藝控制[J].集成電路通訊，2005，23(3):8-11.

[2]劉澤光，陳登權，等.微電子封裝用金錫合金釬料[J].貴金屬，2005，26(1):62-65.

[3]D AW Jr,W J Krafick.The spreading kinetics of Ag-28Cu (L)on nickel(S):Part II.Area of spread on surfaces plated with electrolytic Ni[J].Journal of Materials Research,1996, 11(8):1897-1916.

[4]馬鑫，何鵬，錢乙余.電子封裝中的無鉛軟釬焊技術[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2006：26-30.

[5]孫鳳連，馮立臣，殷祚炷，等.射頻天線黃銅振子感應釬焊氣孔缺陷[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2015，20(2):97-100.

The Controlling of Soldering in LTCC Substrate Au-Sn Soldering

SHEN Zhongke,DONG Yiming,LIU Sidong
（Nanjing Electronic Devices Institute,Nanjing 210016,China）

The paperfocuses on solving the problem ofoverflow and heap ofsoldering when a kind of Au-Sn alloy isused in large area LTCCsoldering.Some kinds ofmethodslike recessing ceramic waferand slotting are used.Aftersome experimentsand research,the method can wellavoid the soldering heaping.The X-Ray Photos also show thatthe void rate ofsoldering area isbelow 10%.

Au-Sn soldering;large area soldering;controltechnology ofsoldering

TN325+.3

A

1681-1070 （2017）06-0001-04

申忠科（1991—），男，碩士，主要從事金屬-玻璃外殼封裝工藝的研究工作。

2017-3-8