激光焊接與退火處理對Sn-Ag-Cu焊料接頭可靠性的影響-深圳福英達
激光焊接與退火處理對Sn-Ag-Cu焊料接頭可靠性的影響-深圳福英達
隨著電子設(shè)備的不斷往微型化趨勢發(fā)展，對焊接工藝的要求也日益提高。在此背景下，Sn-Ag-Cu焊料（如SAC305和SAC307）作為目前主流的無鉛焊料，被廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)中的傳統(tǒng)波峰焊和回流焊工藝中。然而，與傳統(tǒng)的含鉛焊料相比，Sn-Ag-Cu焊料具有較高的硬度和較差的韌性，因此在動態(tài)載荷下容易發(fā)生變形，尤其是在便攜式電子設(shè)備中的使用頻率較高的情況下更加明顯。
除了焊料自身的性質(zhì)外，焊接過程中焊料與金屬基板的反應(yīng)速度也是影響焊點可靠性的重要因素。Sn-Ag-Cu焊料與金屬的反應(yīng)速度較快，容易形成金屬間化合物（IMC）層，而這對焊點的可靠性至關(guān)重要。目前，回流焊接已廣泛應(yīng)用于電子封裝和組裝工藝中。然而，隨著電子設(shè)備的微型化和熱敏電子元件的使用，使用傳統(tǒng)的回流焊接工藝往往會遇到困難。
激光焊接工藝作為一種替代加熱工藝，因其獨特的特性（包括局部非接觸加熱、快速升溫和降溫）已被引入工業(yè)領(lǐng)域并投入實際使用。與傳統(tǒng)的回流工藝相比，激光焊接工藝更易于實現(xiàn)自動化。此外，激光焊接工藝還可以安裝單個元件和定制印刷電路板（PCB）組件。使用激光輻射進行選擇性焊接在實踐中已經(jīng)非常成熟，并應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域。與測溫儀結(jié)合使用，溫度可控的焊接工藝具有很高的工藝穩(wěn)定性，可確保穩(wěn)定的質(zhì)量。有研究表明，與傳統(tǒng)的紅外回流焊接樣品相比，激光焊接工藝降低了焊料中合金成分的擴散，并將互連器件的機械阻抗提高了50%以上。
然而，雖然激光焊接技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，但在提高Sn-Ag-Cu焊料凸點焊接可靠性方面仍然存在挑戰(zhàn)。為了評估激光焊接技術(shù)對焊接接頭可靠性的影響，并探討激光焊接后的退火處理對焊料凸點的影響。Nishikawa等人使用了直徑為1mm 的SAC305焊球、銅焊盤基板和輕度活化松香（RMA）焊劑，采用激光焊接系統(tǒng)在空氣中加熱焊球并做退火處理。焊球主要在大氣中以40 W功率加熱1 s或40 W功率1 s+20 W功率5 s作為退火處理。焊接完成后，在乙醇溶液中對試樣進行超聲波清洗，以去除焊點上的殘留焊劑。最后使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察焊料/銅焊盤界面和焊料基質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。為了評價焊接接頭的沖擊可靠性，Nishikawa等人使用了微沖擊試驗機進行微沖擊試驗，沖擊高度和速度分別為 100 μm 和 1 m/s。圖 1 顯示了球撞擊試驗的程序示意圖和試驗產(chǎn)生的典型力-位移曲線。為獲得平均值，對每種焊接條件下的 10 個焊球進行了微沖擊試驗。
圖1. 微型沖擊試驗示意圖和測得的典型載荷-位移曲線。(a) 微型沖擊試驗和試驗條件；(b) 典型的載荷-位移曲線。
焊點微觀形貌
圖2顯示了激光焊接和老化后SAC焊料與銅焊盤之間界面的掃描電鏡顯微照片。顯微照片顯示的是在 20 W 下退火 5 秒和未退火的界面。在有經(jīng)過退火和無退火處理的兩種情況下，焊料和銅基板之間的界面上都形成了很薄的 IMC 層，該 IMC 層的厚度小于 1 μm。
圖2. 焊接和老化后焊料與銅焊盤之間界面的掃描電鏡顯微照片。
微沖擊試驗
圖3顯示了老化時間對微沖擊試驗得出的載荷-位移曲線最大載荷的影響。最大載荷是在 20 W 下退火 5 秒和未退火樣品的載荷。焊接后，經(jīng)過退火處理的樣品的最大載荷與未經(jīng)過退火處理的類似。在 150°C 下老化 504 小時后，使用激光工藝加熱并退火的焊接凸點的沖擊可靠性優(yōu)于使用激光工藝加熱但未退火的焊接凸點。
圖3. 老化時間對微型沖擊試驗得出的載荷-位移曲線最大載荷的影響。
在錫基焊料和銅焊盤之間的界面上，銅是主要的擴散物種，其中銅原子可以擴散到 Cu6Sn5/焊料界面并與Sn發(fā)生反應(yīng)。如果發(fā)生這種情況，Cu 基底內(nèi)部的體積擴散或沿 Cu3Sn 層界面的擴散就無法彌補 Cu 的外流。因此，銅原子很容易擴散到界面。這可能是激光工藝焊接的焊點在界面上形成許多空隙的原因，而且激光工藝焊接的焊點的最大負(fù)載大大降低，明顯低于傳統(tǒng)回流焊工藝焊接的焊點。因此，Nishikawa等人觀察了化學(xué)去除焊料后 IMC 的俯視形態(tài)。圖 4 顯示了 IMC 焊接后的俯視形態(tài)。在 20 W 下退火 5 秒后，界面處 IMC 層的俯視形態(tài)與未退火時截然不同。在 20 W 退火 5 秒的激光焊接中，IMC 晶粒明顯變大。這些大的 IMC 晶粒能有效阻止銅原子擴散到激光焊接工藝焊接的焊點界面。
圖4. 金屬間化合物 (IMC) 未退火和焊接后在 20 W 下退火 5 秒的俯視掃描電鏡顯微照片。
總結(jié)
實驗結(jié)果表明，通過激光焊接和后續(xù)的退火處理，可以有效改善焊接接頭的可靠性。在焊料與銅基板的界面上形成的IMC層厚度得到了控制，并且焊點的沖擊強度得到了顯著提高。此外，退火處理還能夠阻止銅原子在界面處的擴散，進一步增強了焊接接頭的穩(wěn)定性和可靠性。
參考文獻
Nishikawa, H., & Iwata, N. (2015). Improvement of Joint Reliability of Sn-Ag-Cu Solder Bumps on Cu by a Laser Process. MATERIALS TRANSACTIONS, 56(7), 1025–1029.
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