SAC305焊料的潤(rùn)濕性

引言

電子器件封裝后，焊料合金和襯底材料形成的冶金連接為其提供了必不可少的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和機(jī)械連接，因此焊料合金的焊接性能直接決定著焊點(diǎn)可靠性，甚至是整個(gè)電子設(shè)備的服役壽命。其中，焊料合金和襯底材料之間良好的潤(rùn)濕是確保焊點(diǎn)可靠連接的前提條件。在焊料無鉛化和電子芯片微型化的進(jìn)程中，人們正在尋找可以替代SnPb共晶的焊料，目前常用的是Sn3Ag0.5Cu（SAC305）焊料合金。但SAC305焊料相比SnPb焊料，仍然有以下兩點(diǎn)不足：

1. 由于無鉛焊料的潤(rùn)濕性比SnPb共晶焊料差，因此在釬焊過程中可能會(huì)出現(xiàn)焊料的潤(rùn)濕性能不能滿足要求、焊料的自校準(zhǔn)能力差及焊點(diǎn)可靠性不達(dá)標(biāo)等問題。
2. SAC焊料的熔點(diǎn)（大約490K）高于傳統(tǒng)的SnPb焊料合金（456K），這將導(dǎo)致回流焊或波峰焊過程中焊接溫度的升高，進(jìn)而引起焊料氧化及形成過厚的金屬間化合物，影響了焊點(diǎn)的可靠連接。

潤(rùn)濕性和潤(rùn)濕角

潤(rùn)濕性就是兩種非混相流體呈現(xiàn)于固相介質(zhì)表面時(shí)，某一流體相優(yōu)先潤(rùn)濕固體表面的能力。在電子封裝中，潤(rùn)濕是液態(tài)焊料在固態(tài)基板表面鋪展能力的度量。焊料與基板之間的潤(rùn)濕程度可以用潤(rùn)濕角θ的大小來表示，如圖1所示，液態(tài)焊料呈球冠狀，并構(gòu)成了一個(gè)由固、液、氣三相組成的界面體系。從三相接觸點(diǎn)沿液、氣界面做切線，該切線和固、液界面的夾角θ稱為潤(rùn)濕角。θ的大小與接觸各相的界面張力有關(guān)，三相接觸點(diǎn)同時(shí)受到三個(gè)力的共同作用：σ_lg表示液態(tài)焊料與氣相之間的界面張力，σ_ls表示表示液態(tài)焊料與焊盤之間的界面張力，σ_gs表示表示氣相與焊盤之間的界面張力。三相接觸平衡時(shí)，合力為零，液態(tài)焊料表面自由能處于最低狀態(tài)。

圖1潤(rùn)濕示意圖

電子軟釬焊中，潤(rùn)濕性的好壞根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷：

潤(rùn)濕優(yōu)良：θ<30°，且在焊點(diǎn)表面上可觀察到一層連續(xù)、均勻、光滑、無裂痕和無氣孔的附著良好的焊料；

部分潤(rùn)濕：θ>30°，從潤(rùn)濕區(qū)域的邊緣上可看到母材金屬表面某些地方被焊料潤(rùn)濕，而另一些地方未被潤(rùn)濕；

弱潤(rùn)濕：在焊盤表面，初始被液態(tài)焊料潤(rùn)濕，接著液態(tài)焊料產(chǎn)生部分收縮而形成不規(guī)則的液滴；

不潤(rùn)濕：θ>90°，焊料液滴在焊盤表面未鋪展，并可用外力除去。

SAC305焊料在基板上的潤(rùn)濕角

 圖2 SAC305焊球在不同基板上不同溫度下的潤(rùn)濕角

圖2表示 SAC305焊球在不同基板上隨溫度逐漸變化的潤(rùn)濕角。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，回流溫度在523K和583K范圍內(nèi)時(shí)，該焊料合金在Cu/Ni、Cu、Cu/Ni/Ag、Cu/Ag、和Cu/Ni/Au等五種基板上均可潤(rùn)濕。在同一基板上，隨著溫度的升高，潤(rùn)濕角逐漸減小，表示較高的回流溫度提高了該焊料的潤(rùn)濕性。相同回流溫度下，該焊料合金在Cu/Ni、Cu、Cu/Ni/Ag、Cu/Ag、和Cu/Ni/Au基板上潤(rùn)濕角依次減小，特別是基板中含有Ag和Au的情況下變化特別明顯，在基板上的鋪展能力提高。

SAC305焊料與基板界面間的金屬間化合物

    圖3反映了回流溫度為 523K時(shí)，SAC305焊料在Cu/Ni、Cu和Cu/Ag基板上形成的金屬間化合物形貌。由圖3（a）可知，Cu/Ni基板與SAC305焊料反應(yīng)形成平坦的暗灰色金屬間化合物層，并在靠近焊料處形成了少量塊狀化合物層。由圖3（b）界面處的元素分布確定該化合物為（Cu，Ni）₃Sn₄。而Cu、Cu/Ag基板與SAC305均形成了扇貝狀Cu₆Sn₅金屬間化合物，相比下圖3（d）中的化合物厚度更大，且出現(xiàn)了細(xì)長(zhǎng)的形貌。

圖3 523K下SAC305焊料在不同基板上形成的界面形貌：

（a）Cu/Ni，（b）焊料和Cu界面的元素分布，（c）Cu和（d）Cu/Ag。

圖4 553K下SAC305焊料在不同基板上形成的界面形貌：

（a）Cu/Ni，（b）Cu和（c）Cu/Ag。

回流溫度為 553K時(shí)，SAC305焊料在Cu/Ni、Cu和Cu/Ag基板上形成的金屬間化合物形貌如圖（4）所示。Cu/Ni基板上，暗灰色的層狀金屬間化合物   （Cu，Ni）₃Sn₄厚度增大；Cu基板與焊料形成的Cu₆Sn₅化合物晶粒更加粗大；Cu/Ag基板上少量金屬間化合物已經(jīng)擴(kuò)散到焊料基體中，同時(shí)也出現(xiàn)了少量白色絮狀Sn-Ag-Cu化合物。

圖5 583K下SAC305焊料在不同基板上形成的界面形貌：

1. Cu/Ni，（b）Cu和（c）Cu/Ag。

回流溫度為 583K時(shí)，（Cu，Ni）₃Sn₄化合物厚度進(jìn)一步增大，扇貝狀的Cu₆Sn₅化合物長(zhǎng)寬比繼續(xù)增大，且大量擴(kuò)散到焊料基體中。由圖（3）、（4）和（5）可知，在523K和583K溫度區(qū)間內(nèi)，溫度越高，元素?cái)U(kuò)散越充分，潤(rùn)濕能力越強(qiáng)。這與圖（2）中的數(shù)據(jù)是一致的。

結(jié)論

1、基板中含有Ag或Au的情況下，SAC305焊料潤(rùn)濕基板的能力明顯增強(qiáng)。

2、同一基板上，在523K和583K溫度范圍內(nèi)，溫度越高，焊料元素的擴(kuò)散速率和金屬間化合物的形成速率越快，潤(rùn)濕性越好。