预成型焊片润湿性动态测试方法研究

1、华中科技大学 硕士学位论文预成型焊片润湿性动态测试方法研究 姓名：黄亮 申请学位级别：硕士 专业：材料学 指导教师：吴懿平 2011-01 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 预成型焊片润湿性的好坏会影响光电子封装产品的可靠性。而目前预成型焊片润湿性的测试方法和评价参数的研究非常少，当前常用焊料的润湿性评价方法在评价预成型焊片润湿性具有很大的局限性，所以研究一套预成型焊片润湿性的测试方法具有非常重要的意义。 本文创新性地提出了一种动态测试方法来评价预成型焊片的润湿性。通过铺展面积 s 与时间 t，铺展面积 s 与温度 t 和温度 t 与时间 t 三个关系曲线得出最大铺展面积

2、，润湿时间，平均润湿速度和瞬时润湿速度等参数来评价润湿性。其中最大铺展面积越大，说明其润湿性越好。而润湿时间和平均润湿速度只能针对相同的焊料而言，同种焊料在不同条件下的润湿时间越短，平均润湿速度就越快，说明润湿性越好。瞬时润湿速度主要是受到温度的影响，从润湿速度的变化可以得出预成型焊片润湿性的动态变化。 本文自行设计了一台简单的润湿性动态测试系统，主要包括加热单元，图像采集单元和支架三个部分。另外，三种预成型焊片的实验结果表明，该润湿行为动态系统可以得到铺展面积 s 与时间 t 的关系曲线，从该曲线中可以得出其润湿性的变化规律，这也说明该方法是可行的。其中，au80sn20 预成型焊片在开始熔

3、化出现收缩而后来铺展的过程只有该方法才能得到。最后本文提出需要实现铺展面积 s，温度 t和时间 t 的同步动态采集，加上相应的软件开发，该系统的功能就可以更加完善。关键词： 润湿性 预成型焊片 动态测试 润湿速度 i 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 abstract the wettability of solder pre-form will deeply affect the reliability of optoelectronicpackaging products. at present study of solder pre-form wettability tes

4、ting methods andevaluation parameters are rare and the current evaluation of the solder wettability hassignificant limitations to apply in the solder pre-form so the research of a kind of testingmethod for solder pre-form is significant. this paper puts forward an innovative dynamic wetting test met

5、hod. the largestspreading area wetting time average spreading speed and instantaneous wetting speed areobtained through the three spreading area-the time the spreading area-the temperatureand the temperature-the time functions. the larger spreading area indicates the betterwettability. but the wetti

6、ng time and average wetting rate is for the same solder pre-form.in this condition the shorter wetting time and the faster average wetting rate means betterwettability. instantaneous wetting speed is mainly affected by the temperature and thechanges of wetting speed can suggest the dynamic changes o

7、f wettability. in this article a simple dynamic testing system was designed including the heatingunit image acquisition unit and the bracket parts. in addition the three different solderpre-forms experimental results got through this dynamic system showed that the dynamictesting method is feasible.

8、more interesting we found that au80sn20 solder pre-form hada contraction process at the beginning which was the innovative finding of this dynamictesting method. finally in order to develop more perfect testing system the synchronousdynamic acquisition of the time spreading area and the temperature

9、is necessary. besidescorresponding software development is indispensible.key words: wettability solder pre-form dynamic testing wetting speed ii 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中?悦魅贩绞奖昝鳌救送耆馐兜奖旧鞯姆山峁杀救顺械！?学位论文作者签名： 日期： 年

10、月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪论1.1 前言 随着微电子技术和半导体加工技术的迅速发展，电子产品的结构和设计也越

11、来越复杂。作为电子产品后续加工工艺的电子封装技术涉及到材料学，物理学和机械设计等多个学科，其中，微电子焊接技术是电子封装技术的基础技术。虽然半导体加工的技术已经非常成熟，但是电子封装后电子产品可靠性问题慢慢成为电子产品设计需要考虑的问题，尤其是针对高密度封装的电子产品，其重要性已经和半导体技术处于相同地位。微电子焊接技术是电子封装技术的基础技术，而焊料的焊接性能是影响微电子焊接质量一个重要因素。 1.11是引起电子产品失效的因素分布图， 图从图中可以看出，由焊料的焊接性能不合格导致的电子产品失效比例占 2/3 左右，所以我们需要研究评价焊料的焊接性能的方法。 在工业上，通常定义“可焊性2（so

12、lderability）”来评价电子焊料的焊接性能，但是可焊性的精确定义是非常复杂的，它的影响因素很多。可焊性可以定义为：焊料熔化后润湿被焊基板的能力3。devore 和其他人49分别提出使用不同的方法定义“可焊性”，他们提出在定义“可焊性”时候需要同时考虑焊料本身材料的性能和外界热的条件。他们按照这个思路提出一些独立的可焊性定义，比如“功能性可焊性”和“内在可焊性”。“功能性可焊性”不仅受到材料本身性质的影响，而且受到外界环境的影响，比如温度，焊料和基板的表面质量和润湿的气氛等。“内在可焊性”只由材料本身的物理和化学性质决定的。在工业应用中，由于焊料的使用过程是受到工艺，环境和储存等多方面因

13、素的影响，所以在实际应用中都是使用“功能性可焊性”来表征焊料的焊接能力。通常，我们使用“润湿性”来代替“功能性可焊性”，即通过“润湿性”的测量来反应焊料的焊接能力。 为了保障电子产品系统的可靠性，所以需要对焊接电子产品器件的引脚和焊料 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文进行润湿性测试。虽然现在有许多方法来检测焊料的润湿性，但是这些检测方法总体上来说的可重复性比较差10。目前焊料润湿性测试方法包括铺展面积法，展宽法，接触角法，浸渍法和表面张力法，但是这些方法对当前焊料的一种常见使用方式（预成型焊片）润湿性的检测具有很大的局限性。本文就是以预成型焊片的润湿性测试方法为研究对象，提出

14、一种专门用来检测预成型焊片润湿性的方法，该方法具有简单方便，直观性好等特点。 图 1.1 电子产品失效因素分布图1.2 润湿原理及其影响因素1.2.1 润湿的基本原理 润湿性指的是焊料熔化后在基板上铺展的能力，润湿性越大，其铺展面积就越大，形成的焊料层也就越薄。图 1.2 是润湿原理示意图，从图中可以看出，焊料熔化后在气-液，液-固和气-固三个界面表面张力下达到一个平衡状态，其中 l 和 sl 的夹角为润湿角，又称为接触角。接触角越小，润湿性就越好，润湿性最好时，其接触角接近于 0。图 1.2a中表示的是焊料在基板表面润湿的情况，这时接触角 lt90；图 1.2b中的接触角 gt90说明该焊料

15、在该基板上不润湿。另外，如果接触角 lt30，则说明润湿性良好，而接触角 30ltlt90时候为部分润湿11。 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 a 润湿 b 不润湿 图 1.2 润湿性原理示意图1.2.2 润湿过程分类 根据润湿过程的界面变化特征的不同，可以将润湿过程分为沾湿，浸湿和铺展润湿三种12，其原理如下：1 沾湿 沾湿的原理如图 1.3 所示，从图中可看出，沾湿是由最后的液-固界面代替初始的气-液和气-固界面的过程。该过程增加的是液-固界面，而气-液界面和气-固界面消失。那么沾湿过程单位面积的吉布斯自由能变化为： gls-l-s 1-1如果该过程是自发的，那么 gl

16、t0，可以推导出 lsltls；其实也就是该过程一个表面能下降的过程。g 的数值越小，则说明该过程的自发性越大。 图 1.3 沾湿原理示意图2 浸湿 浸湿过程的原理如图 1.4 所示，从图中可以看出，该过程是将一个固体放入到液体中，初始状态的气-固界面被最后的?液界面取代。在这过程中，其单位面积吉布斯自由能变化为： gls-s 1-2 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文假设该过程是一个自发的过程，那么 glt0，所以可以推导出 lslts，这也就说明只有该固体的固-液表面张力小于固-气表面张力，该过程才会自发发生。 图 1.4 浸湿原理示意图3 铺展 铺展过程是将一定质量的液滴

17、滴在固体表面上，液滴在固体表面自动展开形成一层薄膜的过程。该过程产生了液-固界面和气-液界面，而气-固界面的消失。假设该液滴的表面积和铺展之后面积之差可以忽略不计，那么在恒温恒压下，其单位面积的吉布斯自由能变化为： glsl-s 1-3假设该过程是一个自发过程，那么 glt0，可以推导出 s ltlls。 图 1.5 铺展原理示意图1.2.3 润湿模型 润湿过程是一个很复杂的过程，其不仅受到焊料和基板材料本身性质的影响，同时还受到外界环境的影响，比如温度，助焊剂等。这样如果使用特定的例子归纳润湿性的方法就很容易得到错误的结论。比如，有机液体的润湿性很容易受到液体粘性的影响，但是粘性只是影响金属

18、在固体表面润湿的一个很小的影响因素。根据润湿性的不同过程，一般可以将润湿模型分为三种：1熔化焊料与基板不反应；2基板材料溶解到熔化焊料中；3熔化焊料与基板反应生成金属间化合物imc。 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文1 熔化焊料与基板不反应13 熔化焊料与基板不反应模型的示意图如图 1.6 所示。从图中可以看出，这种情况通常是通过润湿性接触角来分析其润湿性，而接触角可以由 young 方程得到。图中 sv为固-气界面的表面张力，ls 为液-固界面的表面张力，lv 为液-气界面的表面张力。从图中可看出，当熔化焊料平衡时候，其水平方向合力为 0，那么可以推导出： svlvcosl

19、s 1-4 cos 1-5另外，meschter14通过热力学能量的变化也同样推导出公式 1-5。通过公式 1-5 就可以得到接触角，如果接触角 lt90，则表示可以润湿，反之则不润湿。 图 1.6 熔化焊料不与基板反应示意图2 基板材料溶解在熔化焊料中 图 1.7 是基板材料溶解到熔化焊料中的润湿模型示意图。从图中可以看出，首先，基板材料溶解到熔化焊料中会改变润湿角度。另外，溶解过程会导致焊料和基板材料的成分发生变化，该过程会使得润湿性受到影响。最后，溶解过程会导致该系统的固-气表面张力和液-气表面张力发生改变。原子溶解过程是由 arrhenius 方程1516决定的： dt dexp-q/

20、kt 1-6其中 dt为温度为 t 时的原子扩散系数，d 为温度无限高时候原子扩散系数。q 为表面能。k 为玻尔兹曼常数，t 为温度，单位为 k。从公式 1-6 中可知，温度升高会导致扩散率 d 变大，那么原子溶解速率变快，而润湿性会随着材料溶解的量变多而 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文受到阻碍。所以在这种情况下，温度升高会导致润湿性变差。 图 1.7 基板材料溶解在熔化焊料中示意图3 熔化焊料与基板反应生成金属间化合物imc 图 1.8 给出的是熔化焊料会与基板材料反应的润湿模型示意图，该模型会在界面处生成一层脆性较大的金属间化合物。金属间化合物有利于提高焊接质量，但是如

21、果其厚度过大的话，焊接质量反而会变差。该系统下的润湿具有以下几个特点17：系统的润湿性与最后的界面反应有关，但是与反应的强度无关；该模型的焊料润湿性是三个模型中最小的；金属间化合物imc的粗糙度可能会降低润湿性。 图 1.8 熔化焊料与基板反应生成 imc 示意图1.2.4 润湿性影响因素 影响电子焊料润湿性的因素有很多，主要包括焊料金属成分、界面状况、温度、助焊剂和焊接外界环境等。 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文1 焊料成分 焊接原理表明，只有内部的金属元素能够与母材溶解或者形成某种金属间化合物的焊料才能在基板上发生润湿现象。因此，在焊料中添加一些微量元素，可以改善焊料的

22、润湿性。王来，黄明亮1819等人发现在无铅焊料中添加一些稀土元素，可以很好地改善其润湿性。闫焉服，冯丽芳，郭晓晓20等人发现在bi5sb焊料中添加0.55（质量分数）的cu元素，该焊料的润湿性可以得到明显改善。另外，在焊料添加一些活性元素也可以明显地改变润湿性，这是因为活性元素可能会影响到界面反应，甚至有些活性元素可以直接参与界面反应21。最后，研究发现：在sn0.7cu焊料添加少量焊料的ag元素，金属间化合物ag2al可以改善其润湿性22。2 界面状况 焊接界面的状况是影响焊料润湿性能的一个重要因素。界面情况包含界面氧化物，粗糙度和表面涂层情况。任何金属表面从理论上说都会存在表面氧化膜，所以

23、需要破除金属表面的氧化膜。s. j. hitchcock23研究发现基板表面粗糙度变大会使得润湿体系和不润湿体系的接触角都变小，而在润湿过程中使用超声波可以有效减小界面粗糙度对接触角的影响24。另外，表面涂层的厚度也会对润湿性产生影响25，太薄的涂层在润湿过程中容易被消耗，其润湿性差；而过厚涂层会影响器件的共面性问题，影响整个系统的焊接效果。3 温度 通常温度越高，焊料的润湿性越好，这是因为温度可以减少熔化焊料的表面张力。但是温度并不是越高越好，温度过高，容易造成焊接界面晶粒粗大，烧蚀等现象，反而会降低焊料的润湿性。黄永攀，李道火，王锐等人26在研究b4c颗粒和铝液的润湿性时发现温度设定为10

24、00、1100、1150和1200时接触角分别为145、129、33和28，其润湿性明显变好。但是在al/al2o3体系中，温度对润湿性的影响并没有那么好，研究结果表明当温度升高1000，该体系的接触角只下降510，而且这个升温过程可能会形成脆性相27。 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文4 助焊剂 助焊剂在焊料的使用过程中具有多方面的作用，这些原因导致助焊剂会对焊料的润湿性产生巨大影响。第一：助焊剂的活性物质可以使被焊接件的表面活化，降低其表面能。第二：助焊剂可以快速地清除被焊接件和焊料本身的氧化物。第三：助焊剂能够降低熔化焊料的表面张力。比如，铅锡焊料和助焊剂 zncl2 的表面张力就比它本身要小很多，这样系统的润湿性就会变好28。第四：助焊剂能够使得熔化的焊料与空气隔绝，防止其再氧化。但是助焊剂的使用也会带来一些后续的清洗问题，甚至包括腐蚀焊接接头等缺陷。5 外界环境 外界环境主要是指焊接的气氛。焊料的氧化对润湿性影响很大，甚至会导致不润湿。魏秀琴等人29研究发现zn元素氧化形成的zno会导致松香局部稠化失效使得润湿性变差。所以对于一些容易氧化的无铅焊料，特别是对焊接产品具有很高可靠性要求的条件下（比如军工， ， 航空航天等） 一般都采用真空焊接或气体保护下焊接。除了上述影响因素之外，还存在其他因