張浩　楊晶

【摘 要】針對(duì)厚金鍍層中使用Sn62Pb36Ag2合金焊料焊接分立器件容易出現(xiàn)焊點(diǎn)不良的問題，使用In60Pb40合金焊料進(jìn)行厚金鍍層的焊接實(shí)驗(yàn)。研究In60Pb40合金焊料焊接后的焊點(diǎn)外觀、焊接強(qiáng)度，并對(duì)老化前后金屬間化合物厚度及成分進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，銦-鉛合金焊料的焊接外觀比錫-鉛共晶焊料更好，形成的IMC層對(duì)金在焊接層中的擴(kuò)散具有很好的抑制作用。

【關(guān)鍵詞】厚金鍍層；In60Pb40合金；金屬間化合物

中圖分類號(hào)： TH87 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）36-0014-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.006

Study of Discrete Device Using In60Pb40 Solder To Thick Au Metallizations

ZHANG Hao YANG Jing

（Wuxi Zhongwei High-tech Electronics Co.，Ltd.Wuxi Jiangsu 214035， China）

【Abstract】In order to solve the problem of incompetent welding which discrete devices using Sn62Pb36Ag2 alloy solder to the thick Au metallizations， this time use In60Pb40 solder to do the experiment of soldering to the thick Au metallizations.The samples of In60Pb40 alloy solder used for researching on the solder welding appearance. The thickness and composition of intermetallics before and after aging were also analyzed. The results show that the welding appearance of indium-lead alloy solder is better than that of tin-lead eutectic solder， and the IMC layer formed has a good inhibition effect on the diffusion of gold in the welding layer.

【Key words】Thick Au metallizations； InPb alloys； Intermetallic compound

0 引言

在高速微波等軍用器件中，厚金鍍層被廣泛應(yīng)用（趨膚效應(yīng)），金層厚度多是1μm以上。在焊接過程中，Au一般會(huì)被釬料合金完全溶解，更厚的Au層意味著需要消耗更多的Sn，導(dǎo)致出現(xiàn)焊料潤(rùn)濕高度不足。當(dāng)使用Sn62Pb36Ag2合金焊料進(jìn)行陶瓷分立器件焊接時(shí)，并不能形成可靠的焊點(diǎn)。

In化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可塑性和延展性強(qiáng)，同時(shí)對(duì)于Au具有良好的兼容性。考慮到In也是一種低熔點(diǎn)金屬，其In-Pb合金焊料的熔點(diǎn)與Sn-Pb合金焊料熔點(diǎn)契合，滿足目前大多數(shù)焊接要求[1]。考慮到目前使用的Sn-Pb合金焊料為Sn62Pb36Ag2合金，熔點(diǎn)為179℃，選取使用與之熔點(diǎn)對(duì)應(yīng)的In60Pb40合金進(jìn)行焊接試驗(yàn)。

1 樣品制作

制備In60Pb40合金焊料與Sn62Pb36Ag2合金焊料接點(diǎn)試樣，研究其焊接外觀、焊接強(qiáng)度及老化后（125℃@1000h）對(duì)金屬間化合物厚度及成分進(jìn)行分析，試驗(yàn)試樣為片式陶瓷電容器0805（2mm*1.2mm），電容器兩端電極鍍鎳、錫，實(shí)驗(yàn)基板為陶瓷SIP基板，焊盤尺寸并不規(guī)則，焊盤鍍層電鍍鎳金，鎳層2.5μm以上，Au層1.3μm。焊料印刷網(wǎng)板厚度為1mm，回流工藝使用五溫區(qū)鏈?zhǔn)交亓鳡t進(jìn)行回流，內(nèi)部氣氛為氮?dú)?，回流曲線參數(shù)如圖1。

2 焊點(diǎn)外觀

回流后In60Pb40焊料相比于傳統(tǒng)Sn62Pb36Ag2焊料的焊點(diǎn)外觀光亮明顯，在元件兩側(cè)的潤(rùn)濕高度更好，焊接并沒有被Au層影響，如圖2所示。

In60Pb40焊料在厚金的焊盤上并沒有完全沿金屬化區(qū)域繼續(xù)潤(rùn)濕（如圖3），這表明In60Pb40焊料在回流過程中In與Au的反應(yīng)并不優(yōu)先，因此，在與金屬化區(qū)域潤(rùn)濕的過程中，In60Pb40焊料并沒有被過度消耗；而Sn62Pb36Ag2焊料在金屬化區(qū)域潤(rùn)濕的鋪展明顯，幾乎覆蓋所有可能潤(rùn)濕的金屬化區(qū)域，同時(shí)因?yàn)镾n與Au反應(yīng)速度過快，優(yōu)先于Ni，焊料被大量消耗，導(dǎo)致了焊點(diǎn)的焊料堆積量較少，焊點(diǎn)毛糙，呈現(xiàn)齒狀溝壑紋路。

3 焊接強(qiáng)度

對(duì)回流后的樣品進(jìn)行元件抗剪切試驗(yàn)，測(cè)試剪切速度為0.5mm/s，測(cè)試兩種焊料的元件焊接強(qiáng)度。元件抗剪切強(qiáng)度測(cè)試后脫離模式都為元件被剪切掉，底座上殘留焊料及部分元件鍍層，見圖4。在經(jīng)過125℃@1000h之后，其剪切脫離模式與此前相同（見圖5）。

In60Pb40合金焊料與Sn62Pb36Ag2合金焊料焊接的元件抗剪切力測(cè)試?yán)匣捌骄捣謩e為4863.5g、4622.84g，老化后平均值分別為3148.34g、3032.43g。從測(cè)試結(jié)果看，In60Pb40合金焊料能夠達(dá)到Sn基合金焊料的焊接強(qiáng)度水平。

4 焊料合金與焊盤界面

在回流或老化過程中，焊盤表面的Au和Ni等金屬會(huì)與焊料合金中的主要合金元素反應(yīng)生成金屬間化合物。在界面處生成一層薄、連續(xù)和均勻的金屬間化合物是焊料合金與焊盤金屬形成良好冶金連接的標(biāo)志與保證，但由于金屬間化合物通常都是脆性物質(zhì)，如果界面處金屬間化合物的過度生長(zhǎng)會(huì)影響焊接點(diǎn)的可靠性。

金屬間化合物的生長(zhǎng)是以原子擴(kuò)散為主導(dǎo)機(jī)制。在濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下，焊料中的主要元素和焊盤Au原子沿著濃度梯度方向作定向擴(kuò)散并發(fā)生固相反應(yīng)促使金屬間化合物不斷生長(zhǎng)[2]。

In60Pb40合金焊料回流后焊接界面形成連續(xù)較薄的IMC層，焊料與IMC層的界面較為粗糙，邊界分明，IMC層程扇貝狀凸起向焊料內(nèi)部生長(zhǎng)（見圖6）；EDX分析表明此時(shí)IMC層內(nèi)主要成分為AuIn，少量Au擴(kuò)散到焊料內(nèi)部。125℃@1000h老化試驗(yàn)后，IMC層生長(zhǎng)變厚，焊料與IMC層的界面變得平坦（見圖7），此時(shí)IMC層演變?yōu)锳uIn2化合物，焊料內(nèi)部的Au相比于回流后增加較少，說明Au并沒有順著濃度梯度的方向向焊料內(nèi)部大量擴(kuò)散，IMC層形成的Au與In的合金化合物抑制了Au向焊料層的擴(kuò)散。

比較In60Pb40合金焊料與Sn62Pb36Ag2合金焊料等效老化后IMC層的厚度（見圖8、9），In60Pb40合金焊料的IMC厚度要薄很多。國(guó)內(nèi)研究表明，IMC層厚度越厚，焊料層與IMC層界面越平坦，焊接點(diǎn)的破壞模式會(huì)向IMC層內(nèi)部的脆性斷裂轉(zhuǎn)變[3]。Sn62Pb36Ag2合金焊料層及IMC層中的成分表明，殘留的Au經(jīng)過老化全部溶解，IMC層生長(zhǎng)并演變?yōu)锳uSn4化合物[4]，Au與Sn的化合物并沒有抑制Au的擴(kuò)散。

兩者對(duì)比表明Au在向In60Pb40焊料內(nèi)部的擴(kuò)散速度比Sn62Pb36Ag2焊料慢，In對(duì)Au有較好的擴(kuò)散抑制能力。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過使用In60Pb40合金焊料與傳統(tǒng)Sn62Pb36Ag2合金焊料在鍍金焊盤上的元件焊接實(shí)驗(yàn)及對(duì)老化后IMC層進(jìn)行成分分析進(jìn)行對(duì)比，得出分立器件焊點(diǎn)Sn62Pb36Ag2合金焊料焊接不良的原因與In60Pb40合金焊料的焊接優(yōu)勢(shì)。

本次研究表明，In60Pb40焊料對(duì)元件的潤(rùn)濕更好，In不會(huì)被Au大量的消耗，能夠形成較好的焊點(diǎn)，解決焊點(diǎn)不良的問題。此外在老化前后In60Pb40焊料的IMC層生長(zhǎng)厚度要比Sn62Pb36Ag2合金焊料薄得多，顯示出Au向In基焊料內(nèi)部的擴(kuò)散速度要比Sn基焊料慢，In對(duì)Au有較好的擴(kuò)散抑制能力。

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