焊接時(shí)出現(xiàn)空洞的成因和緩解措施-深圳福英達(dá)
焊接時(shí)出現(xiàn)空洞的成因和緩解措施-深圳福英達(dá)
瞬態(tài)液相（TLP）鍵合是一種在高溫電子器件，特別是功率器件封裝中較為常見的鍵合技術(shù)。TLP鍵合可以在較低的溫度進(jìn)行，且能在較高的溫度下保持穩(wěn)定。TLP鍵合使用低熔點(diǎn)金屬作為中間層，并與基板上的高熔點(diǎn)金屬結(jié)合。然而，該技術(shù)會(huì)明顯受到焊接空洞的影響，這會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)熱傳遞能力和機(jī)械強(qiáng)度下降。空洞是TLP鍵合需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。
1.1 體積收縮
TLP系統(tǒng)中形成空洞的常見原因是體積收縮。當(dāng)焊點(diǎn)內(nèi)部開始形成IMCs時(shí)，由于IMC與原始焊料金屬的結(jié)構(gòu)和數(shù)量密度不同，因此，在平衡條件下， IMCs的體積將需要比初始反應(yīng)元素的體積總和更小。由于IMC體積的收縮和焊點(diǎn)厚度的減小，焊點(diǎn)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，而應(yīng)力的釋放往往會(huì)造成空洞。
1.2 形成IMCs的液相不足
TLP鍵合時(shí)形成IMC的液相量不足會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)形成空洞。如圖1所示，當(dāng)Sn層厚度略大于η-Cu6Sn5時(shí)，隨著加熱的進(jìn)行，剩余的Sn熔化，但隨后與Cu的反應(yīng)受到η相固體晶粒的限制。在受限區(qū)域中Sn和Cu的反應(yīng)造成了焊料本體消耗，導(dǎo)致空洞的形成。
圖1. Sn-Cu系統(tǒng)的IMC生長。
1.3 柯肯達(dá)爾空洞
焊料和焊盤之間界面處IMCs內(nèi)的不同互擴(kuò)散率導(dǎo)致了部分區(qū)域焊料的消耗從而形成柯肯達(dá)爾空洞。通常TLP焊點(diǎn)中柯肯達(dá)爾空洞的形成也是由不同金屬成分在焊料/基板界面的不平衡擴(kuò)散引起?？驴线_(dá)爾空洞形成一般發(fā)生在Sn-Cu TLP系統(tǒng)中，這是因?yàn)镃u向外擴(kuò)散速度較快，在Cu3Sn IMC中留下了空洞。
2.1 引入緩沖層
在TLP系統(tǒng)中的反應(yīng)層之間引入金屬層能形成額外的IMC，該IMC可以彌補(bǔ)被消耗的低溫液體。例如，為了防止在Ni3Sn4 IMCs內(nèi)形成空洞，可以采用Sn2.4Ag代替純Sn。隨著老化時(shí)間增加，Ag3Sn大量出現(xiàn)在Ni3Sn4層之間，且未發(fā)現(xiàn)有空洞的出現(xiàn)。
圖2. 180℃老化過程中Ni/Sn2.4Ag/Ni 焊點(diǎn)演變。(a) 12h; (b)72h; (c)378h。
2.2 優(yōu)化鍵合溫度
由于原子擴(kuò)散速度一般與溫度成正比，因此當(dāng)鍵合溫度過高時(shí)，Cu等原子快速的擴(kuò)散會(huì)造成更多的空洞形成。此外，如果焊接加熱速度太慢，中間層反應(yīng)會(huì)不斷與基板金屬反應(yīng)并完全消耗。在這種情況下，中間層難以進(jìn)入熔化階段導(dǎo)致不能填充焊點(diǎn)中的間隙，從而在最終焊點(diǎn)中留下空洞。
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Mokhtari, O. (2019). A review: Formation of voids in solder joint during the transient liquid phase bonding process - Causes and solutions. Microelectronics Reliability, vol.98, pp.95-105.
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