鍍鎳石墨烯增強(qiáng)復(fù)合焊料的制備及增強(qiáng)相存留率研究

陳 光，李 堯，陳小明，高 煜，夏伶勤

（1.浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 310059；2.杭州江河機(jī)電工程裝備有限公司，浙江 310012）

引言

IGBT 等功率模塊在智能電網(wǎng)、電動汽車、伺服控制器等諸多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。典型的功率模塊封裝結(jié)構(gòu)中,通常包含兩到三層具有不同熔點(diǎn)的焊料層,以實現(xiàn)芯片、端子、絕緣襯底等元器件之間的機(jī)械、熱力學(xué)和電氣互連［1］［2］。目前，由于焊料無鉛化的持續(xù)推進(jìn)，無鉛焊料開始廣泛地應(yīng)用到功率模塊結(jié)構(gòu)中。然而，隨著模塊集成度的不斷提高，各焊料連接層厚度也隨之不斷降低，且由于封裝結(jié)構(gòu)中材料構(gòu)成多元，模塊服役過程中產(chǎn)生的大量焦耳熱會不可避免地導(dǎo)致焊料層內(nèi)部出現(xiàn)較大的溫度梯度，在外部復(fù)雜工作條件的共同作用下,將驅(qū)使焊料中的金屬原子加速擴(kuò)散，導(dǎo)致封裝互連結(jié)構(gòu)失效。因此，開發(fā)高性能無鉛焊料及配套封裝工藝具有重要的科學(xué)意義和社會價值。

本研究采用自蔓延焊接技術(shù)對預(yù)成型的復(fù)合焊料片進(jìn)行互連。首先，選擇自行開發(fā)的鍍鎳石墨烯（GNS-Ni）作為增強(qiáng)相制備復(fù)合焊料。其次，采用濕法鋪設(shè)法制備增強(qiáng)相均勻分布的復(fù)合焊片。焊接時利用自蔓延反應(yīng)熱源溫度高、熔化/凝固過程短等特點(diǎn)，突破熔融焊料表面張力和界面能的限制，使增強(qiáng)相最大程度上均勻分散在焊料基體中，并大幅降低焊料層內(nèi)增強(qiáng)相的損失量，從而最大程度上保證增強(qiáng)相對無鉛焊料性能的提升。

1 實驗部分

1.1 材料

鍍鎳石墨烯增強(qiáng)相為本團(tuán)隊前期自行設(shè)計研發(fā)的增強(qiáng)相材料（其中Ni 質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比約為94.3%），該增強(qiáng)相的實物圖與掃描電鏡照片如圖1和圖2所示。

圖1 自行制備的鍍鎳石墨烯增強(qiáng)相實物圖

圖2 （a）初始石墨烯（b）鍍鎳石墨烯（GNS-Ni）

本文采用Indium Corporation制造的Al/Ni薄箔進(jìn)行互連實驗。Al/Ni 薄箔的整體厚度為40 μm，其中Al、Ni 納米層的厚度分別為60 nm 和40 nm 以保證Al、Ni 原子的整體原子比例為1:1。其余使用的SAC305 焊料（粉材，平均粒徑約為30 μm）以及化學(xué)試劑均為普通商用材料。

1.2 復(fù)合焊料的制備

首先，進(jìn)行復(fù)合焊料的濕法制備時應(yīng)制備復(fù)合焊料漿，稱取一定量的GNS-Ni 和一定量的SAC305焊粉，其中GNS-Ni 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15 %，余量為無鉛焊粉。然后，向GNS-Ni 和焊粉中加入適量水溶性助焊劑，使得助焊劑和固體粉末的體積比為3:1-5:1，對該混合液體進(jìn)行充分機(jī)械攪拌使其均勻混合，制得復(fù)合焊料漿備用。

其次，進(jìn)行復(fù)合結(jié)構(gòu)焊料片的內(nèi)部架構(gòu)預(yù)制。將處理好的SAC305 焊料片（厚度100 μm）放置于超聲振動操作臺上，在其表面涂覆一層助焊劑，然后用滴管吸取約4 ml 復(fù)合焊料漿涂于焊片表面，同時施加X 和Y 兩個方向的超聲振動，使其鋪展均勻，待懸濁液均勻鋪滿焊片表面后，將其進(jìn)行真空40°烘干20~30 min。隨后，采用類似方法將制得的復(fù)合焊料漿滴涂于焊片表面，并同時施加X和Y兩個方向的超聲振動10 min，再施加Z 方向超聲振動15 min，之后進(jìn)行真空40°烘干，烘干后，兩層涂覆物總厚度應(yīng)為50~100 μm。然后，再次用滴管吸取約4 ml復(fù)合焊料漿涂于焊片表面已有的涂覆物表面，同時施加X和Y兩個方向的超聲振動，使其鋪展均勻，待懸濁液均勻鋪滿表面后，將其進(jìn)行真空40°烘干20~30 min，此時三層涂覆物總厚度應(yīng)為55~120 μm。然后，再將另一張清洗好的焊片（厚度100 μm）取出，表面均勻涂覆助焊劑，并將涂覆助焊劑的一面朝下覆蓋于上述多層涂覆物表面，得到類似“三明治”結(jié)構(gòu)，此時，“三明治”結(jié)構(gòu)總厚度約為250~350 μm。

最后，將該“三明治”結(jié)構(gòu)置于熱壓機(jī)中的焊片成型模具中，熱壓機(jī)預(yù)熱到200 °開始進(jìn)行熱壓加工，熱壓加工壓力為6~12 Mpa，并在200~220 ℃下保壓2~5 min，將“三明治”結(jié)構(gòu)壓至100~150 μm。隨后，取出該焊片空冷至80~100 ℃時進(jìn)行熱軋，制成50~100 μm 的焊料片。最后，取出焊料片，去除表面污物，即得到復(fù)合焊料片產(chǎn)品。

1.3 自蔓延和回流互連結(jié)構(gòu)的制備

進(jìn)行自蔓延互連時，將所制得的復(fù)合焊料片（厚度為50 μm）置于自蔓延薄膜上下兩層，基板為鍍錫銅板，對基板施加壓力和預(yù)熱處理后直接通電短接激發(fā)自蔓延薄膜進(jìn)行焊接。為同時進(jìn)行增強(qiáng)相在焊縫中的存留率對比分析，實驗還進(jìn)行了傳統(tǒng)回流試樣的制備，進(jìn)行回流焊接時，直接將100 μm厚的復(fù)合焊料片置于兩塊鍍錫銅片間，用自制夾具緊固后置于回流爐中進(jìn)行回流焊接即可得到所需試樣。

1.4 增強(qiáng)相存留率檢測

為了研究不同方法焊接前后焊縫中GNS-Ni 的存留率變化，分別將三組（原始復(fù)合焊料組、回流組和自蔓延組）試樣采用ICP-OES（Varian-720）系統(tǒng)進(jìn)行元素分析，并基于其中Ni 元素的原子量分?jǐn)?shù)進(jìn)行量化對比。

1.5 內(nèi)部焊接質(zhì)量檢測

為了解復(fù)合焊料在兩種焊接工藝下的焊接效果，采用CASM 對互連焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測試，并對焊縫內(nèi)部缺陷情況進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合焊料及互連結(jié)構(gòu)效果

基于濕法鋪設(shè)和半固態(tài)軋制工藝制備的鍍鎳石墨烯增強(qiáng)復(fù)合焊料片及其微觀結(jié)構(gòu)如圖3 所示。研究團(tuán)隊制備了50 μm和100 μm兩種厚度的復(fù)合焊料片，分別用于自蔓延焊接和回流焊接，從SEM 微觀形貌照片可以看到，該復(fù)合焊料片內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，晶粒細(xì)小，無明顯缺陷。

圖3 濕法制備復(fù)合焊料片成品及SEM微觀結(jié)構(gòu)

2.2 增強(qiáng)相存留率結(jié)果及分析

為研究增強(qiáng)相在焊接過程中的溢出情況，進(jìn)行回流和自蔓延焊接后，首先對焊縫外觀進(jìn)行了光學(xué)顯微鏡分析，兩種工藝下的試樣焊縫形貌如圖4所示。

圖4 兩種互連焊接工藝制備的復(fù)合焊料互連結(jié)構(gòu)焊縫典型外觀

從圖4中可以明顯發(fā)現(xiàn)，采用自蔓延焊接得到的焊縫外觀較為整潔，除有少許助焊劑正常溢出外，無多余肉眼可見的增強(qiáng)相溢出現(xiàn)象。相比之下，采用回流焊接得到的焊縫表面則出現(xiàn)了大量的黑色溢出物，為檢測這些物質(zhì)的構(gòu)成，采用能譜儀對隨機(jī)選取的兩份黑色溢出物進(jìn)行了元素分析，分析結(jié)果見圖5?？梢园l(fā)現(xiàn)，該溢出物中含有大量鎳元素和碳元素，這些正是GNS-Ni 的構(gòu)成元素，這也說明焊縫表面的溢出物主要為所添加的GNS-Ni增強(qiáng)相。

為進(jìn)一步定量研究兩種焊接互連工藝條件下焊接前后增強(qiáng)相的存留率變化，采用ICP-OES 對兩組焊縫的鎳元素變化進(jìn)行了分析，分析結(jié)果見表1。

表1 鎳元素含量（wt.%）ICP-OES分析結(jié)果

從ICP-OES 結(jié)果來看，原始焊料中的鎳元素平均含量約為0.1388 %。從回流組的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，焊接后焊縫中鎳元素的含量大幅縮減，平均含量僅為0.04%，且該組的鎳元素數(shù)據(jù)較為分散，說明大部分GNS-Ni 在焊接過程中隨助焊劑的揮發(fā)而溢出到焊縫外，除了會造成GNS-Ni 存留率的大幅下降外，還會因溢出路徑不規(guī)則導(dǎo)致存留的增強(qiáng)相在焊縫內(nèi)部發(fā)生團(tuán)聚。而對自蔓延組的分析結(jié)果顯示,該組試樣中鎳元素的存留率雖稍低于原始數(shù)據(jù)，但含量極為接近，這是因為自蔓延焊接過程非常短，焊料片通常僅在互連界面處熔融完成互連，而焊料片內(nèi)部來不及熔化，所添加的增強(qiáng)相不會因與熔融焊料不潤濕而被排出到焊縫外，因此增強(qiáng)相在互連焊縫中會保持比較高的存留率和初始分布狀態(tài)。

2.3 內(nèi)部焊接質(zhì)量結(jié)果及分析

為了檢測兩種互連工藝下的內(nèi)部焊接質(zhì)量，采用CASM 對兩組試樣進(jìn)行了分析，分析結(jié)果如圖6 所示。根據(jù)測試結(jié)果，回流焊縫中的孔隙率達(dá)到了46.8%，主要來源于焊縫內(nèi)部孔洞和大量裂紋，這些缺陷主要?dú)w因于回流過程中增強(qiáng)相溢出（含團(tuán)聚）行為。而自蔓延焊縫中的孔隙率僅為8.3%，主要來源于焊接區(qū)域邊緣由于焊料溢出引發(fā)的裂紋。由這些結(jié)果可以認(rèn)為采用自蔓延工藝進(jìn)行復(fù)合焊料焊接能夠在同樣條件下獲得更高的焊接質(zhì)量。

圖6 兩種互連工藝得到的復(fù)合焊料互連結(jié)構(gòu)內(nèi)部CASM分析結(jié)果

3 結(jié)論

本文采用濕法鋪設(shè)工藝制備了GNS-Ni 摻雜的無鉛復(fù)合焊料，采用自蔓延互連和回流焊接工藝制備了兩組互連結(jié)構(gòu)。通過對互連焊縫區(qū)的形貌、化學(xué)成分以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)自蔓延焊接工藝能夠更好的減少復(fù)合焊料中增強(qiáng)相的溢出行為，且得到的焊縫內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加完整，孔洞和裂縫缺陷更少。針對含有增強(qiáng)相的復(fù)合焊料而言，采用自蔓延互連封裝工藝是一種極具潛力的工藝方案。