添加泡沫Cu對PbSnAg/Cu接頭熱阻及強度的影響

劉桂源 孫鳳蓮

摘 要：功率電子元件的服役溫度遠高于常溫，器件產(chǎn)熱與散熱之間不匹配的現(xiàn)象日益突顯。針對這一問題，利用泡沫Cu良好的導熱性，采用PbSnAg合金進行填充制成焊材，期望提高現(xiàn)有PbSnAg接頭的導熱性能。測試復合釬料/Cu接頭的熱阻，觀察微觀組織的變化，測試相關力學性能，探究復合釬料接頭的斷裂機理。研究表明，添加泡沫銅可以提高接頭的熱導率，有效地降低接頭的熱阻。PbSnAg合金的組織分別為高鉛組織和含有化合物的混合組織，添加泡沫Cu之后組織發(fā)生了粗化。界面上生成的化合物是Cu3Sn，并且發(fā)現(xiàn)在Cu和Cu3Sn界面化合物之間的界面處存在Pb。添加泡沫Cu使焊縫的剪切強度稍有降低，在斷口上可以發(fā)現(xiàn)裸露在表面處的化合物。

關鍵詞：泡沫Cu;PbSnAg釬料;熱阻;顯微組織;剪切強度

DOI：10.15938/j.jhust.2021.03.019

中圖分類號： TG425

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2021）03-0127-07

Effect of Cu Foam on the Thermal Resistance and Strength

of As-soldered Pb5Sn2.5Ag/Cu Joints

LIU Gui-yuan， SUN Feng-lian

（School of Material Science and Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150040，China）

Abstract：The service temperature of power electronic components is much higher than normal temperature， and the mismatch between heat generation and heat dissipation of devices is becoming increasingly prominent.The good thermal conductivity of foamed Cu is used to fill the welding material with PbSnAg alloy. It is expected to improve the thermal conductivity of existing PbSnAg joints.The study focused on thermal resistance ， microstructure and shear strength of the copper foam enhanced Cu/Pb-Sn-Ag/Cu joint.The microstructure of PbSnAg alloy is consists of matrix high lead and the mixed structure of high lead and IMCs （intermetallic compounds）. Experimental result shows that the grain of PbSnAg coarsened after the addition of Cu foam. The component of the IMCs at the copper foam and the Cu substrate are Cu3Sn. A layer with high Pb content was found between Cu and Cu3Sn.The shear strength of the solder joint decreases slightly due to the addition of the copper foam， and the Cu3Sn IMCs can be found on the shear fracture.

Keywords：Cu foam; PbSnAg solder; thermal resistance; microstructure; shear strength

0 引 言

對于功率電子器件，服役溫度通常遠遠高于環(huán)境溫度，其產(chǎn)熱與散熱能力不匹配的現(xiàn)象逐漸的突顯出來，這就對電子封裝中使用的釬料提出了更高的要求?，F(xiàn)有的Sn基無鉛釬料熔點偏低（183～243℃），抗氧化性，抗熱疲勞性等性能不能滿足功率器件的要求[1-3]。針對這一問題，功率電子器件的連接技術向著發(fā)高熔點合金釬料、納米級顆粒燒結(jié)、反應釬焊、低溫瞬時液相擴散連接等方向進行，這些技術方法都具有各自的優(yōu)勢和缺點，使其在電子封裝領域中不能夠大范圍的推廣使用[4-8]。Pb-Sn基合金因其可焊性優(yōu)良、組織性能穩(wěn)定、成本合理等優(yōu)點，廣泛地應用在電子封裝領域，但是由于器件廢棄后，其焊接接頭中含有的Pb元素會污染環(huán)境?，F(xiàn)根據(jù)RoHS法規(guī)，禁用了鉛較低質(zhì)量分數(shù)（<85%）的電子封裝釬料，高鉛釬料質(zhì)量分數(shù)（>85%）具有較高的熔點，穩(wěn)定的組織及物理化學性能，使其在抗熱機械疲勞、抗高溫老化等方面表現(xiàn)出色，暫時還沒有合適的無鉛釬料可以替代，因此高鉛釬料獲得了RoHS法規(guī)的豁免。仍然可以應用在電子元器件的一級封裝、功率電子元件等相關領域[9-12]。

泡沫Cu作為一種新型的結(jié)構，因為其本身多孔的結(jié)構特征，可以為復合的材料提供骨架支撐和振動緩沖，又因為其良好的導熱導電性能，主要應用于電極材料、化學催化劑、導熱導電材料、消音屏蔽材料、過濾材料等領域[13-14]。但是在電子封裝領域，將泡沫Cu結(jié)構用于復合釬料卻鮮有研究。

綜上所述，本文在PbSnAg接頭中添加泡沫Cu，制成復合焊片進行釬焊連接。利用Cu良好的導熱性，降低接頭的熱阻[15]，期望焊接接頭的熱傳導性能有所改善。通過測試接頭的熱阻，分析其導熱性能發(fā)生變化的原因。進行接頭連接可靠性的測試，判斷焊接接頭的連接強度是否能夠滿足使用。并利用SEM、EDS對釬焊接頭的顯微組織、元素分布、化合物組織成分進行探究分析。

1 試驗與方法

1.1 試驗材料

本試驗采用的母材為純Cu板，有良好的導電、導熱和加工性能，并且所含雜質(zhì)較少。釬料金屬是Pb-5Sn-2.5Ag合金，具有力學性能好、熱疲勞性能好、潤濕性優(yōu)良、可靠性高，高溫性能穩(wěn)定等特征，被廣泛的應用在電子元器件的一級封裝及電子功率器件的連接[16]。其主要的物理性能如表1所示。

本實驗采用的泡沫Cu，是通過電沉積法制成，擁有高孔隙率、均勻分布的三維網(wǎng)狀孔結(jié)構[17]。形貌如圖1所示。具有良好的導熱導電性能，和一定的拉伸強度。實驗所用的泡沫Cu相關參數(shù)如表2所示。

1.2 試驗方法

將Pb-Sn-Ag釬料加熱到400℃，得到熔融的液態(tài)合金，通過無壓滲浸的方式將液態(tài)釬料填充到不同孔隙密度的泡沫Cu中，制成復合焊片。將厚度為0.5mm的純Cu板分別切割成20×20mm和2×2mm。以上材料均用無水乙醇在超聲波清洗10min，在真空烘箱中烘干備用。

通過稱量計算泡沫Cu無壓滲浸前后的質(zhì)量，得出復合焊片中Cu的質(zhì)量分數(shù)為15%。按照尺寸2×2mm2的標準切割復合焊片，在Cu基板上涂刷UV光固化阻焊漆，制成預留有2×2mm2焊盤的下基板。焊接結(jié)構由上至下依次為上基板，復合焊片，下基板。在330℃，無壓大氣環(huán)境下使用回流焊機進行焊接，焊接時間為5min，焊接過程結(jié)束后隨空氣冷卻至室溫。

熱阻實驗的試樣如圖2所示，按照JEDEC標準的封裝熱阻測試法進行測試。主體公式為

R=TJ-TRPH=ΔTPH（1）

式中：TJ為芯片的結(jié)溫;TR為被結(jié)到節(jié)點的溫度;PH為穩(wěn)態(tài)下的功率。

其中TJ、PH是通過計算得來，TR利用熱電偶測量得到。因為實驗驗中的唯一變量為焊縫，為了研究焊縫的熱阻，所以本文采用結(jié)算到引腳上的溫度作為考察點。這樣既可以比較直觀的放映焊縫的傳熱能力，又可以減少其他因素導致的實驗誤差。

用E51酚醛環(huán)氧和4，4二氨基二苯甲烷鑲嵌釬焊試樣，用碳化硅砂紙逐級打磨并用規(guī)格為W0.25的金剛石微粉進行拋光，并用檸檬酸-鉬酸銨-硝酸水溶液進行腐蝕[18]。通過掃描電子顯微鏡（SEM）來表征釬焊接頭的顯微組織結(jié)構和斷口特征，并利用能譜分析儀（EDS）檢測釬焊接頭中各種元素的分布情況及焊縫中的物相組成。

將得到的試樣裝夾在剪切試驗機上，在室溫下進行剪切試驗，示意結(jié)構如圖3所示。將下基板用夾具固定，以0.1mm/s的恒定速度剪切焊接接頭直至斷裂，剪切強度τ由下列公式求出：

τ=FQA（1）

式中：FQ為斷裂時的最大加載力，N;A為試樣的受力面積，mm2。每組實驗的樣本容量為27，篩除異常數(shù)據(jù)后，取其平均值作為最終有效結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 接頭的熱傳導性能

為測試出復合釬料/Cu接頭在服役過程中的熱阻，本節(jié)中模擬芯片的工作環(huán)境，在150℃下對原始合金釬料/Cu接頭、15%泡沫Cu復合釬料/Cu接頭進行熱阻測試。根據(jù)公式（1）進行計算分別測量計算得出其中的TJ、TR、PH。

1）為了計算測試器件中芯片的結(jié)溫，首先計算得到芯片在測試電流（IM=50mA）下，電壓隨溫度變化的曲線。通過外界熱源，將測試件逐級加溫，從80℃開始每隔10℃進行一次測試。具體做法是，在每次加溫后等待溫度穩(wěn)定，然后給試件通測試電流IM（IM=50mA），測試此時測試件兩端的電壓VF。由此得到相同電流下，電壓隨溫度的變化關系如圖4所示。

在Origin中對圖中的曲線進行擬合，可以分別得到每種釬料接頭的電壓-溫度關系。如關系式（3）、（4）所示。

原始釬料/Cu接頭：VF=-0.0016T+0.285（3）

泡沫Cu復合釬料/Cu接頭：VF=-0.0016T+0.266（4）

2）將兩組試樣通以固定電流，使其溫度上升至150℃左右，并使其達到動態(tài)平衡，經(jīng)過調(diào)整，確定加溫電流IT分別為I原始=12A，I泡沫=10.3A，測出此時試樣件兩端的電壓VFT分別為V原始=0.28V，V泡沫=0.26V，由此可以得到兩個實驗組的功率PH，如表3所示。

3）計算芯片的結(jié)溫。當器件的產(chǎn)熱與散熱到達一個動態(tài)平衡時，切換至測試電流IM（IM=50mA），此時測得器件兩端的電壓，利用式（3）、（4），即可計算出芯片的結(jié)溫TJ，如表4所示。

4）使用熱電偶測試器件兩端引腳的溫度TR，結(jié)合上述計算得到的數(shù)據(jù)，代入式（1）中，可得到各實驗組的熱阻數(shù)據(jù)。

通過測試和計算，試驗結(jié)果如表5所示，

得到原始釬料的熱阻R原始=4.78℃/W，含有泡沫銅的接頭熱阻為R泡沫=3.56℃/W。其中含有15%泡沫Cu的接頭降低了25.52%，說明添加泡沫Cu后提高了連接材料的導熱性能，有利于及時傳導芯片上的產(chǎn)熱。

熱量在傳導過程中，傾向于優(yōu)先沿著熱阻較小的區(qū)域進行傳導。芯片產(chǎn)生的熱量在含有泡沫Cu的焊接接頭傳導時，因為Cu良好的導熱性，泡沫結(jié)構在三維空間連通的特性，形成優(yōu)于基體的高效導熱通道，建立區(qū)域內(nèi)的導熱優(yōu)勢，這些區(qū)域組合在一起使整個接頭的導熱性能得到改善，能夠高效率地傳導芯片在服役過程中產(chǎn)生的熱量[19]。

2.2 接頭的微觀形貌及界面化合物

如圖5（a）所示，可以觀察到泡沫Cu分布在焊縫中，在泡沫Cu與釬料的界面上生長有一層化合物，且化合物的形貌并不是均勻平整的。通過掃描電子顯微鏡觀察了焊縫顯微組織中的元素分布，發(fā)現(xiàn)釬料中含有較高含量的Pb元素;Cu元素集中分布在泡沫Cu中和界面處;Sn元素分布于在釬料中，并且在界面上聚集;Ag元素集中于少量的塊狀組織中。由各元素的分布情況可說明釬料中的塊狀組織的主要成分是Ag、Sn，界面處的化合物由Cu、Sn組成。

如圖6所示，為腐蝕后的PbSnAg合金的顯微組織，由形貌和EDS結(jié)果可知，可以將顯微組織分成兩種組織。其一是形貌均一的高鉛區(qū)，Pb含量高達95%，且只含有Pb和Sn兩種元素。這是因為在相圖上此成分點在共晶成分之外，液態(tài)釬料在冷卻過程中并不會反生共晶反應，而是會形成Sn在Pb晶格中的置換固溶體。另一種是由兩相組成的混合組織，從EDS結(jié)果上來看，含有Ag、Sn、Pb三種元素，結(jié)合相圖和形貌上判斷這種混合組織由Ag3Sn和PbSn固溶體兩相的混合組織。通過比較添加泡沫Cu前后的顯微組織，含有泡沫Cu的顯微組織更加粗大。這是因為液態(tài)釬料在冷卻過程中可以依附泡沫Cu結(jié)構生長，減少了因為過冷在液態(tài)中的形核。在這種環(huán)境下有利于晶粒的生長，因此在添加泡沫銅后存在粗大晶粒。

如圖7所示，為了確定焊縫中各相的成分，選取焊縫中兩個區(qū)域借助EDS對各相元素原子百分比進行測量?？梢钥闯鼋缑嫣幍膶訝罨衔餅镃u3Sn，而不是CuSn之間容易反應生成的Cu6Sn5。分析其原因為PbSnAg釬料中Sn元素只含有5wt%，在界面處Cu的化學濃度是遠大于Sn，近界面處Cu相較于Sn是過量的。又由于焊接時液態(tài)停留溫度相對中低溫無鉛釬料的焊接溫度較高，能為反應提供更多的能量，這都促使形成的界面化合物為Cu3Sn。另外由圖6（a）、圖6（b）、圖7可知，存在于體釬料中塊狀的化合物Ag、Sn原子比為3∶1，且該化合物從外觀上均一，判斷其為金屬原子之間存在固定原子比的金屬間化合物，又根據(jù)其Ag、Sn原子比值為3，確定其為Ag3Sn金屬間化合物。

界面化合物如圖8所示。發(fā)現(xiàn)界面IMC的生長不依附于Cu的結(jié)構，Cu和Cu3Sn之間的Pb相分布。原因是焊料中的Sn濃度低，并且Cu和Sn之間形成Cu3Sn的反應受到限制。貧錫層出現(xiàn)在近界面處，從而抑制了Cu3Sn的繼續(xù)形成。由于Cu、Sn濃度比不同，Sn原子的擴散速率遠小于Cu的擴散速率。銅原子通過擴散進入焊料，但是原始位置沒有錫原子補充。此外，Cu和Cu3Sn之間沒有強烈的反應，兩者在界面處失去化學粘附力[20-21]，這導致IMC脫落，Pb相在濃度梯度的作用下擴散到Cu和Cu3Sn中。

2.3 焊點的剪切強度和斷裂形態(tài)

位移與剪切強度之間的關系如圖9所示，復合釬料的剪切強度略低于PbSnAg合金。含有泡沫銅的接頭在剪切試驗中有較小的塑性滑動位移。如圖10所示，通過比較兩種釬料的剪切斷裂，可以看出在PbSnAg釬料的剪切斷裂中，塑性變形位移更長。復合釬料的斷口中有明顯的斷裂平臺，發(fā)現(xiàn)有Cu3Sn分布在該平面上，如圖10（c）所示。斷裂平臺上的顆粒狀化合物是在泡沫Cu的表面上生長的Cu3Sn，并且發(fā)現(xiàn)含鉛的殘留焊料在顆粒狀IMC之間。

根據(jù)強度變化和斷口形貌，含有泡沫Cu的接頭斷裂位置集中在泡沫Cu上的化合物與基體釬料之間。分析其原因是界面上的Cu3Sn與體釬料的彈性模量不同，在受到載荷時，微區(qū)內(nèi)發(fā)生的形變不同，由此在界面處出現(xiàn)應力集中，隨著載荷的繼續(xù)施加，界面上的應力集中促使在Cu3Sn化合物與體釬料出現(xiàn)裂紋源，進而失穩(wěn)擴展。此外，添加泡沫Cu促進了冷卻過程中液態(tài)合金的形核和長大，使體釬料的顯微組織粗化，含有Ag3Sn的混合組織聚集粗大，降低了合金的塑性。在這兩種因素的作用下，含有泡沫Cu的接頭剪切強度稍有降低，塑性變形位移縮短。

3 結(jié) 論

1）添加泡沫Cu后改善了連接材料的導熱性能，且含有15%泡沫Cu的接頭熱阻降低了25.52%。熱量借助泡沫Cu三維連通的結(jié)構和Cu良好的導熱性，可以在接頭中更有效地傳導。

2）PbSnAg合金的顯微組織可以分為高鉛區(qū)和低鉛區(qū)，其中高鉛區(qū)為單一的PbSn固溶體相，低鉛區(qū)為Pb相和Ag3Sn的混合組織。添加泡沫Cu結(jié)構后，PbSnAg釬料的顯微組織出現(xiàn)了粗化。PbSnAg釬料與Cu之間形成的界面化合物為Cu3Sn，而不是常見的Cu6Sn5。其中Cu3Sn并不是依附著Cu生長，發(fā)現(xiàn)鉛滲入Cu與Cu3Sn之間。

3）復合釬料焊接而成的焊縫強度稍低于PbSnAg釬料，其塑性變形區(qū)也小于PbSnAg合金，但仍能滿足使用。在復合釬料的斷口中可以發(fā)現(xiàn)Cu3Sn裸露在表面，說明裂紋沿著體釬料與泡沫Cu上化合物的界面處擴展。

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（編輯：王 萍）