Sn95Sb5 焊料與ENIG/ENEPIG 鍍層焊點(diǎn)界面可靠性研究

徐達(dá)，魏少偉，申飛，梁志敏，馬紫成

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊 050061；2.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊 050018）

0 引言

微電子器件焊接中常用的無鉛焊料為Sn-Ag-Cu系焊料，其熔點(diǎn)較低（約為217 ℃）。較低的熔點(diǎn)限制了微電子器件承受焊接過程中的高溫以及在高溫下工作的能力。Sn-Sb 系焊料的熔點(diǎn)更高（236～244 ℃）。由于Sb 元素具有固溶強(qiáng)化作用，其能夠增強(qiáng)焊料的晶體結(jié)構(gòu)，同時，在β-Sn 晶界處形成了Sn-Sb 金屬間化合物（IMC），因此Sn-Sb 系焊料具有更優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、抗蠕變性能和抗熱疲勞性能，可以提高器件在高溫下的工作能力[1-2]。

化學(xué)鎳金（ENIG）鍍層中的Au 層過薄，導(dǎo)致其在焊接過程中不能形成穩(wěn)定的鍵合，鍍層易出現(xiàn)焊盤黑化問題?；瘜W(xué)鎳鈀浸金（ENEPIG）鍍層能滿足表面貼裝、導(dǎo)電膠黏接和金絲鍵合等工藝的要求。在Ni 層和Au 層之間加入Pd 層，Pd 層的存在阻止了浸金工藝中Au 層對Ni 層的腐蝕，可以有效防止焊盤黑化現(xiàn)象的發(fā)生[3]。ENEPIG 鍍層已被大量應(yīng)用于封裝載板領(lǐng)域，并逐步擴(kuò)展到高可靠性印制板和陶瓷外殼領(lǐng)域[4]。

研究結(jié)果顯示，Sn-Sb 系焊料與Cu 基材形成的SnSb5/Cu 界面在熱循環(huán)過程中具有較高的剪切強(qiáng)度，該界面具有優(yōu)異的熱疲勞性能[5-6]。ENIG 和ENIPIG 鍍層是微電子封裝中經(jīng)常使用的2 種鍍層，針對2 種鍍層的焊點(diǎn)界面反應(yīng)與強(qiáng)度的研究較少，特別是缺乏針對2 種鍍層焊點(diǎn)的比較研究。本文研究了Sn95Sb5 焊料在ENIG、ENIPIG 鍍層形成的焊點(diǎn)界面的微觀組織形貌在高溫時效測試和溫度循環(huán)過程中的變化以及剪切強(qiáng)度變化，為使用Sn95Sb5 焊料在ENIG、ENEPIG 鍍層上焊接電子元器件提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料和方法

采用Sn95Sb5 焊料將不同尺寸的0805 片式電容通過回流焊工藝焊接至厚度為1.6 mm 的FR4 印制板上。FR4 印制板采用2 種鍍層，ENIG 鍍層（Ni 層厚度為3～6 μm，Au 層厚度為0.05～0.15 μm）和ENEPIG 鍍層（Ni 層厚度為3～6 μm，Pd 層厚度為0.10～0.20 μm，Au 層厚度為0.10～0.20 μm）。0805 片式電容的電極焊盤的尺寸為0.85 mm×1.30 mm，焊膏厚度為0.15 mm，將回流焊的峰值溫度設(shè)定為265 ℃，將焊膏達(dá)到液相線以上溫度的保持時間控制在80～90 s。

焊接完成后，將樣件分割成獨(dú)立的板塊，隨后對這些板塊分別進(jìn)行高溫時效試驗(yàn)和溫度沖擊試驗(yàn)。將高溫時效試驗(yàn)的溫度設(shè)置為175 ℃，分別對在高溫環(huán)境下放置了250 h、500 h 和1 000 h 的樣件進(jìn)行金相切片分析和剪切強(qiáng)度測試。將溫度沖擊試驗(yàn)的溫度設(shè)置為－55～125 ℃，將保溫時間設(shè)置為0.5 h，高低溫轉(zhuǎn)換時間不超過5 min，分別對經(jīng)歷了200 次、600 次和1 000 次溫度循環(huán)的樣件進(jìn)行金相切片分析和剪切強(qiáng)度測試。采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察焊點(diǎn)界面微觀組織形貌，采用能量散射X 射線光譜儀（EDS）分析界面化合物成分。依據(jù)GJB548C—2021《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》的標(biāo)準(zhǔn)，使用剪切力機(jī)對焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度進(jìn)行測試，將剪切高度設(shè)置為50 μm，將剪切速度設(shè)置為700 μm/s。由于直接測量界面IMC 層的厚度比較困難，本文采用圖像處理軟件測量IMC 層的整體切面面積，再用切面面積除以IMC 層的長度，從而得到IMC 層的平均厚度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 IMC 層的初始形貌和結(jié)構(gòu)

回流焊后焊點(diǎn)界面初始形貌如圖1 所示。ENIG鍍層的Au 層厚度約為0.1 μm。在回流焊開始時，Au層會在幾秒鐘內(nèi)迅速溶解到焊料中，Ni 層就會暴露出來并直接與熔融焊料發(fā)生反應(yīng)，Ni 層表面形成了胞狀層結(jié)構(gòu)，Sn95Sb5/ENIG 焊點(diǎn)界面形貌如圖1（a）所示。采用EDS 對化合物進(jìn)行分析，Sn95Sb5/ENIG 焊點(diǎn)界面EDS 結(jié)果如圖1（b）所示，Sn、Ni 的摩爾分?jǐn)?shù)分別為56.11%、43.89%，由此可以推斷此化合物為Ni3Sn4。相較于Au 元素，Pd 元素在錫基焊料中的溶解速度明顯較慢，由于ENEPIG 鍍層中的Pd 層厚度較?。?.1～0.2 μm），在標(biāo)準(zhǔn)的回流焊過程中（焊料熔化時間為60～90 s），Pd 層會全部溶解于焊料中，熔融焊料與Ni 層直接接觸并發(fā)生反應(yīng)，在界面處形成了Ni3Sn4相，如圖1（c）（d）所示。在界面附近還可以觀察到條塊狀顆粒結(jié)構(gòu)，由圖1（e）可知，顆粒由Sn、Ni、Pd 和Au元素組成，各元素的摩爾分?jǐn)?shù)分別為80.15%、8.98%、6.22%和4.65%，由此推斷此化合物屬于（Ni，Pd，Au）Sn4相。在微電子制造中，使用Sn-Ag 系、Sn-Pb 系焊料進(jìn)行回流焊時，初始階段在焊接界面會形成IMC，其中常見的是（Pd，Ni）Sn4相。隨著熔融時間的延長，（Pd，Ni）Sn4相逐漸從焊接界面分離并在焊料基體中溶解，（Pd，Ni）Sn4相的溶解度與焊料基體中的Ni 含量密切相關(guān)。根據(jù)Sn-Ni-Pd 三元體系相圖分析，將微量的Ni溶入到熔融的錫基焊料中會顯著降低Pd 的溶解度，Pd 溶解度的降低會抑制（Pd，Ni）Sn4相在熔融焊料中的溶解，未溶解的（Pd，Ni）Sn4相會在IMC 界面附近殘留。Sn-Sb 系焊料在與ENEPIG 鍍層結(jié)合的過程中，焊接界面微觀組織的演化過程與上述過程類似，在某些特定條件下可能會形成結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的（Ni，Pd，Au）Sn4相。這時（Pd，Ni）Sn4相中的部分Pd 原子會被Au 原子取代，原因可能是焊料在熔融狀態(tài)時，其局部區(qū)域的Au 含量偏高。

圖1 回流焊后焊點(diǎn)界面初始形貌

2.2 高溫時效對焊點(diǎn)界面的影響

175 ℃的高溫時效條件相當(dāng)嚴(yán)苛，但Sn95Sb5 焊料在ENIG 和ENEPIG 鍍層界面均展現(xiàn)出了較好的穩(wěn)定性。高溫時效測試中焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度的變化如圖2 所示，經(jīng)過1 000 h 的高溫時效測試后，Sn95Sb5/ENIG 和Sn95Sb5/ENEPIG 焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度分別下降了13.9%和19.2%。Sn95Sb5/ENEPIG 焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度略低于Sn95Sb5/ENIG 焊點(diǎn)。

圖2 高溫時效測試中焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度的變化

在高溫時效測試的不同階段，Sn95Sb5/ENIG、Sn95Sb5/ENEPIG 焊點(diǎn)界面的微觀組織形貌如圖3 所示?？傮w來說，Sn95Sb5/ENIG、Sn95Sb5/ENEPIG 焊點(diǎn)界面的IMC 層均保持了連續(xù)且完整的狀態(tài)，焊點(diǎn)界面沒有出現(xiàn)明顯的空洞和裂紋。Sn95Sb5/ENEPIG 焊點(diǎn)界面附近的（Ni，Pd，Au）Sn4相的形態(tài)和尺寸也未見明顯變化，（Ni，Pd，Au）Sn4相的穩(wěn)定性是在高溫時效測試中焊點(diǎn)界面強(qiáng)度保持較高水平的重要原因。高溫時效測試中焊點(diǎn)界面IMC 層平均厚度的變化如圖4 所示。由圖4 可知，IMC 層平均厚度與時間開平方呈現(xiàn)良好線性關(guān)系，這說明其生長過程受到擴(kuò)散機(jī)制主導(dǎo)。Sn95Sb5/ENEPIG 焊點(diǎn)界面的IMC 層平均厚度約為Sn95Sb5/ENIG 焊點(diǎn)界面的2 倍，這可能是由于（Ni，Pd，Au）Sn4相的生成增加了焊點(diǎn)界面焊料側(cè)Ni元素的消耗。與Sn95Sb5/ENIG 焊點(diǎn)界面相比，Sn95Sb5/ENEPIG 焊點(diǎn)界面的IMC 層具有更高的化學(xué)勢，促進(jìn)了Ni 在IMC 層的擴(kuò)散，進(jìn)而促進(jìn)了新的IMC生成。

圖3 高溫時效測試不同階段焊點(diǎn)界面的微觀組織形貌

圖4 高溫時效測試中焊點(diǎn)界面IMC 層平均厚度的變化

2.3 溫度循環(huán)對焊點(diǎn)界面的影響

Sn95Sb5/ENIG、Sn95Sb5/ENEPIG 焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度與溫度循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖5 所示。隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加，焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)溫度循環(huán)次數(shù)達(dá)到1 200 次時，Sn95Sb5/ENIG 焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度下降了約11%，Sn95Sb5/ENEPIG 焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度下降了約11%，Sn95Sb5/ENIG 焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度一直略大于Sn95Sb5/ENEPIG 焊點(diǎn)。

圖5 焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度與溫度循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

不同溫度循環(huán)次數(shù)下，Sn95Sb5/ENIG、Sn95Sb5/ENEPIG 焊點(diǎn)界面的形貌如圖6 所示。2 種焊點(diǎn)界面的IMC 層基本保持了完整性，沒有出現(xiàn)明顯的空洞和裂紋現(xiàn)象。

圖6 不同溫度循環(huán)次數(shù)下焊點(diǎn)界面形貌

不同溫度循環(huán)次數(shù)下焊點(diǎn)界面IMC 層平均厚度的變化如圖7 所示。在溫度循環(huán)過程中，界面IMC 的生長過程與其在高溫時效測試中的表現(xiàn)不同，其生長過程可分為2 個階段。在溫度循環(huán)初期，界面IMC 的增長速度較快，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到400 次后IMC 的增長速度開始變緩，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到1 000 次后IMC 的增長速度趨于穩(wěn)定。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是溫度循環(huán)初期的IMC 層較薄，Ni 原子從基板側(cè)擴(kuò)散到焊料中以及Sn 原子從焊料擴(kuò)散到基板側(cè)的速度都相對較快，IMC 層厚度增長較為明顯；當(dāng)IMC 層厚度增加到一定程度后，Ni、Sn 原子的擴(kuò)散路徑變長，擴(kuò)散速度變慢，IMC 層厚度的增長速度放緩。溫度循環(huán)過程中高溫段的溫度為125 ℃，遠(yuǎn)低于高溫時效試驗(yàn)的175 ℃，而IMC 層厚度仍然有較為明顯的增長。在175 ℃下經(jīng)歷了1 000 h 的高溫時效試驗(yàn)后，Sn95Sb5/ENEPIG 焊點(diǎn)界面的IMC 層平均厚度達(dá)到7 μm，而在－55～125 ℃下經(jīng)歷了1 000 次溫度循環(huán)后（效果約等于在125 ℃下經(jīng)過500 h 熱處理），Sn95Sb5/ENEPIG 焊點(diǎn)界面的IMC 層平均厚度已達(dá)到8 μm，其增長趨勢相較于經(jīng)歷高溫時效時更為明顯。僅用高溫作用解釋溫度循環(huán)過程中IMC 層厚度的生長機(jī)制顯然是不全面的。周期性溫度變化導(dǎo)致的熱應(yīng)力是促進(jìn)IMC 層生長的重要因素。熱應(yīng)力導(dǎo)致IMC 層內(nèi)積累了形變能，形變能的存在促使IMC 晶界向著曲率減小的方向移動，進(jìn)而導(dǎo)致IMC 層的增厚和變大。IMC 層的增厚和粗化導(dǎo)致焊點(diǎn)界面熱失配現(xiàn)象更為嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力集中和增大，焊點(diǎn)在受到應(yīng)力時的協(xié)調(diào)變形能力變差，最終表現(xiàn)為焊點(diǎn)強(qiáng)度下降。

圖7 不同溫度循環(huán)次數(shù)下焊點(diǎn)界面IMC 層平均厚度的變化

3 結(jié)論

本文研究了Sn95Sb5/ENIG、Sn95Sb5/ENEPIG 焊點(diǎn)界面微觀組織在高溫時效測試和溫度循環(huán)過程中的變化情況以及2 種焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度的變化情況。Sn95Sb5/ENIG 焊點(diǎn)在高溫時效測試和溫度循環(huán)過程中焊接界面連續(xù)且完整，其表現(xiàn)出較高的剪切強(qiáng)度，剪切強(qiáng)度的下降最大不超過13.9%。Sn95Sb5/ENEPIG焊點(diǎn)的界面反應(yīng)更為復(fù)雜，在焊接界面附近可觀察到呈條塊狀顆粒的化合物（Ni，Pd，Au）Sn4，在回流焊后初始階段、高溫時效測試以及溫度循環(huán)過程中Sn95Sb5/ENEPIG 焊點(diǎn)界面IMC 層的平均厚度約為Sn95Sb5/ENIG 焊點(diǎn)界面IMC 層的2 倍，剪切強(qiáng)度下降最大不超過19.2%。