溫度對金錫合金焊料共晶形貌影響機制研究

劉洪濤

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110000）

1 引 言

AuSn20 被稱為金錫合金或金錫共晶，是一種常見的無鉛焊料。當Au 和Sn 的質量分數分別為80%和20%時，在278℃的較低溫度下即可完成共晶反應，不需要助焊劑。這種焊料導熱率和剪切強度很高，在電子封裝中常用作芯片的焊接材料；又以其較高的穩定性、耐腐蝕性和潤濕性，在高可靠氣密封裝中應用廣泛［1-2］。在實際應用中，管殼、蓋板多采用金元素作為鍍層，鍍金層在焊接過程中向焊料中熔解，造成局部金錫比例失配。同時，由于溫度、壓力等重要工藝參數的影響，往往反應會偏離共晶點，得到不理想的焊接狀態，導致焊接強度的降低和可靠性下降［4-8］。

在此以CQFP240 陶瓷外殼作為研究對象，采用50μm 厚度AuSn20 焊料環，基于燒結工藝，研究密封過程中溫度對焊接形貌的影響。設定不同峰值溫度，通過掃描焊接樣品的截面，觀察界面化合物狀態和分布，研究密封過程中工藝參數對封焊區微觀形貌的影響，進而得到界面狀態隨峰值溫度變化的一般規律。

2 試驗條件及要求

圖1 顯示了CQPF240 陶瓷外殼的結構圖。密封區為方環形，內側邊長20.6±0.25 mm，外側邊長24.4±0.25mm，轉角處倒角半徑0.42 mm。密封區基材是Al2O2陶瓷，鍍層為Ni-Au-Ni-Au 復合結構，其中鎳層厚度1.2～8.9 μm，金層厚度1 μm。焊料成分為AuSn20 金錫合金。蓋板基材是Fe-Co-Ni 的可伐合金，鍍層為Ni-Au-Ni-Au 復合結構，其中金層的厚度0.6μm，鍍鎳層的厚度為5μm。

圖1 CQPF240 陶瓷外殼

采用VOL180 燒結爐為試驗設備，通過調整燒結峰值溫度，制備多組樣品。樣品編號為#1～#4，以燒結的峰值溫度為變量，分別對應210 ℃、220 ℃、250℃、270℃，如圖2 所示。

圖2 燒結峰值溫度設定

該組樣品保持焊接壓力為7.5N，峰值溫度保持時間8 min。樣品在燒結預熱過程中（t0時間段之前），開啟真空泵，進行2 次抽真空循環，以去除爐體中的空氣，并充以純度99.99%以上的高純氮氣為焊接氣氛。

將燒結好的樣品用樹脂進行鑲嵌，以如圖2 所示的觀察截面為目標位置，依次采用100 目、200目、400 目、1000 目、2000 目砂子進行研磨。研磨到目標焊接區域后，進行拋光并噴碳以增加導電性。采用SEM 分析方法，得到焊接界面形貌圖，結合能譜分析，探測焊接界面的元素成分。

圖3 目標觀察截面選取位置示意圖

3 焊縫形貌觀察

樣品處理完成后，通過掃描電子顯微鏡觀察焊接界面的形態，然后進行分析。首先, 以峰值溫度220℃的典型樣品為例，通過掃描電子顯微鏡觀察到的焊料界面形態如圖4 所示。從圖中可以看出，蓋板與焊料之間已經良好結合，蓋板鍍Ni 層與焊縫形成了清晰的界面。

圖4 焊縫SEM 形貌及成分

焊縫中存在深灰色化合物，通過能譜分析，測得各種元素的種類及所占百分比，如表1 所示。由分析可知，深灰色物質由Ni、Sn、Au 三種物質組成，其原子百分比分別為24.22%、42.87%、22.90%。其中，Ni元素來自于蓋板的鍍Ni 層中，說明鍍層成分已經向焊縫中擴散并形成了三元化合物。

表1 焊縫元素成分及占比

另一方面，焊縫與管殼結合的界面處，則生成了較為明顯兩層化合物。首先，是層狀化合物從鍍Ni層上生長出來。在層狀化合物外，又出現樹枝晶狀化合物，向焊縫內生長，如圖5 所示。

圖5 焊縫及母材之間的樹枝晶

測量新形成的焊縫寬度，為22.81 μm，相比于AuSn20 焊料環初始厚度的50μm，已有一定程度的減少。

4 溫度影響研究

4.1 焊縫厚度

設置不同的峰值溫度，發生共晶反應，使焊料熔化并完成封裝。圖6 分別給出了210°C、220°C、250°C 和270°C 溫度下的焊縫微觀形貌。從圖中可以看出，溫度對焊接界面的形態產生了顯著影響。

圖6 焊縫微觀形貌圖

隨著溫度升高，焊縫厚度趨于增加，變化曲線如圖7 所示。可見，在210°C、220°C、250°C 時，焊縫厚度小于焊料初始厚度。當峰值溫度為210℃時，良好的焊縫已經形成，其厚度為19.64μm。峰值溫度升高到220℃、220℃時，焊縫厚度略有增加。在210℃～220℃中，焊縫厚度略有波動，但總體水平相近。產生波動的主要原因據分析應為：不同外殼、蓋板、焊料環樣品之間存在差異；焊縫中存在空洞，引起焊縫厚度的波動；共晶過程中對管殼、蓋板施加的焊接壓力及施加位置存在差異。

圖7 焊縫寬度

當峰值溫度達到270°C 時，焊縫厚度大于初始焊縫寬度。這說明，峰值溫度高于250°C 時，焊縫中必然存在大量的氣泡，固化后將形成空洞，對焊接可靠性造成致命影響。因此，為降低未來的空洞率，應選取可形成較窄焊縫的工藝溫度。

4.2 鍍層Ni 元素擴散距離

Ni 元素來源是管殼、蓋板的鍍層，其作用是保護管殼、蓋板母材，并增加鍍金層的連接性。由成分探測分析可知，Ni 元素已經向焊縫中擴散并形成了三元化合物。Ni 元素擴散距離隨峰值溫度的變化如圖8 所示。

圖8 Ni 元素向焊縫中心的擴散

當峰值溫度為210 ℃時，Ni 元素離開鍍層向焊縫中擴散的最大距離占焊縫寬度的12%。隨著峰值溫度的升高，Ni 元素向焊料中擴散的距離進一步增加。在210℃時，Ni 元素擴散到19%；250℃時，擴散距離增大到61%。在270℃時，整個焊縫區域都能探測到Ni 元素。由此可見，峰值溫度對Ni 元素的擴散作用有顯著的影響。由于金和錫可以形成良好的共晶界面，當有鎳元素參與時，反應不確定性增加，因此應避免Ni 元素的過度擴散。

4.3 界面化合物和樹枝晶厚度

除上述影響外，峰值溫度的升高還會造成層狀化合物（IMC 層）的厚度明顯增加，從0.97 μm 生長到2.99μm，且樹枝晶向焊縫內的生長也更為明顯，從0.26μm 提高到了4.71μm。具體變化情況如圖9所示。

圖9 界面化合物和樹枝晶厚度

由圖可見，隨著溫度升高，IMC 和枝晶厚度明顯增加。可知初始的IMC 不應太厚，因為時效會使其保持增長，這會導致強度逐漸降低。同時，樹枝晶易碎并且容易斷裂，樹枝晶的生長會使得焊縫的強度下降。因此，有必要通過控制峰值溫度來控制IMC和枝晶的厚度。

5 結 束 語

在金錫焊料熔封過程中，溫度是影響共晶界面形貌最為重要的因素。通過設定不同峰值溫度，掃描焊接樣品截面并觀察界面化合物狀態和分布，研究了密封過程中工藝參數對封焊區微觀形貌的影響。得到焊縫厚度、樹枝晶化合物厚度、Ni 元素擴散距離等界面狀態隨峰值溫度變化的趨勢。在保證良好焊接狀態的前提下，峰值溫度越低，焊縫的可靠性越高，當峰值溫度超過250℃時，形成的氣密封裝結構極不可靠，在實際工藝操作中應盡力避免。