半导体激光钎焊Sn-Ag-Cu焊点的力学性能和显微组织分析_图文

1、第29卷第2期焊接学报V01.29No.2 2008年2月TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION February2008半导体激光钎焊SnA9一Cu焊点的力学性能和显微组织分析张昕,薛松柏,韩宗杰,韩宪鹏(南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京210016摘要:选取不同激光钎焊工艺参数,利用半导体激光软钎焊系统对sIlAgcu无铅钎料在铜基板上进行了钎焊试验,并研究了slIAgCu焊点显微组织中金属间化合物形成规律。结果表明,当激光钎焊时间选择为1s,激光输出功率为38.3w时,焊点力学性能最佳。随着激光工艺参数的改变,焊点显微组织发生相

2、应的变化。当使用最佳激光工艺参数钎焊时,形成的焊点晶粒细小,避免了焊点内金属问化合物cu6s啦的过度生长,此外还形成了厚度适中的金属间化合物层。对比试验结果发现,激光软钎焊方法比传统红外再流焊所形成的金属间化合物层更为平缓,能够获得力学性能更为优良的焊点。关键词:半导体激光软钎焊;无铅焊点;金属间化合物;显微组织中图分类号:TG456文献标识码:A文章编号:02533似(200802一(102205张H,r0青专随着微电子封装技术向着“微型化”、“无铅化”方向发展1,电子制造产业面临着许多新的问题和挑战,这些新问题使用传统再流焊工艺无法从根本上给予解决。作为一项新兴的钎焊技术,激光软钎焊具有局

3、部加热、快速加热、快速冷却的特征,可以有效地防止高密度封装器件发生桥连现象,能够大幅度提高元器件焊点的综合性能,因此,在微电子工业中有着广阔的应用前景2。众所周知,显微组织影响焊点的力学性能,金属间化合物则在焊点的显微组织中具有重要的作用【3J。相关文献研究表明,焊点中钎料/基板的界面处金属问化合物的形态和长大对焊点缺陷的萌生及发展、电子组装件的可靠性等有着十分重要的影响【4|。因此研究并控制金属间化合物的形态和生长行为对提高焊点的可靠性具有重要意义。,在实际电子元器件的钎焊中,常常以铜为基板材料。因此文中采用半导体激光软钎焊系统对Sn AgCu无铅钎料在铜基板上进行钎焊试验,进而研究激光钎焊

4、工艺参数对snAgCu无铅焊点显微组织的影响规律,对无铅钎料激光软钎焊技术的收稿日期:2007一一09基金项目:江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目(CX07B一087z;江苏省“六大人才高峰”资助项目(06一E一020“实用化”,具有重要的意义。1试验方法采用LYFCDLWS90型半导体激光软钎焊系统对SnAgCu无铅钎料在纯铜试片上进行钎焊试验,以此来模拟电子元器件焊点的形成过程,进而研究半导体激光软钎焊条件下sn一如一Cu无铅钎料焊点显微组织中的金属间化合物。为便于对比,同时采用红外再流焊机进行了SnAgCu钎料在纯铜试片上的钎焊试验。此外,还选用了与上述试验相同的激光工艺参数,进行

5、了0805型矩形片式电阻的钎焊试验,并利用STR一11300型微焊点强度测试仪测试其焊点的力学性能,研究焊点显微组织中金属间化合物与力学性能之间的关系。根据国家军用标准GJB548A一96微电子器件试验方法和程序方法2019A:芯片抗剪强度的规定,芯片抗剪强度以其最大剪切力值来替代评价55,这已为诸多研究所采纳【6.7J,故文中以焊点的最大剪切力值(以下简称剪切力来作为其力学性能的评价标准。2试验结果与分析2.1激光工艺参数对焊点力学性能的影响 焊点力学性能是激光钎焊时间和功率综合影响 24焊接学报第29卷图2不同激光输出功率条件下微焊点的显微组织哟.2Microstructures of s

6、oldered joints with different laser output powers(a枝状晶显微组织言厶3越醴舞耀图3枝状晶组织的EDX分析Fig.3EDX analysis of dendritic cryscaI从图中可以看出当钎焊时间为0.5s时,由于钎焊时间过短,基体中的铜只有少量向钎料中溶解,未能在钎料与基体问形成明显的Cu6Sn5金属间化合物层,从而不能保证良好的冶金连接,焊点的力学性能较差。当钎焊时间为1s时,基体铜向熔融钎料充分溶解并发生反应,形成了厚度适中的金属间化合物层,保证了牢固的冶金连接,同时避免了Cu6Sn5金属间化合物层过厚带来的负面影响。而当钎焊时

7、间增加到1.5s时,Cu6S.5金属间化合物层进一步增厚,由于Cu6Sn5自身的脆性,导致了焊点力学性能的下降。当钎焊的时间增加至2s时,金属间化合物衍射角201(。枝状晶能谱分析Cu6Sn5大量增加,并且在与接触面形成了Cu3Sn金属间化合物层(图5,导致了焊点力学性能的明显下降,这种变化趋势正好可以解释焊点力学性能的变化。由相关研究可知:金属间化合物层厚度满足经典公式4】L=(眈“(1式中:为金属间化合物层厚度;D为扩散系数;t 为反应时间。图6为激光软钎焊与红外再流焊两种加热方式下形成的焊点中钎料/基板的显微组织。结合公式(1可知:传统红外再流焊条件下,熔融钎 料冷却速度慢,冷却时间长,

8、金属间化合物层过厚且第2期张昕,等:半导体激光钎焊snAgCu焊点的力学性能和显微组织分析25呈扇贝状形态分布。而激光软钎焊具有快速加热,快速冷却的特点,因此在钎料成分相同的情况下,形言争i恻瞬杂毫成的金属间化合物层薄且更为平缓,获得了力学性能更为优良的无铅焊点。图4不同激光钎焊时间条件下焊点中钎料/基板界面的显微组织哟.4Microstructures of solder/substrate interface in soldered joints with different soldering time(a金属问化合物层显微组织衍射角20l(。彻金属化合物层能谱分析图5Cu3Sn的EDX

9、分析Fig.5EDX analysis of Cu3Sn(1激光软钎焊彻红外再流焊图6不同再流焊条件下钎料/基板界面的显微组织Fig.6Microstructures of solder/subsffate interface with different soldering methods 半导体激光钎焊Sn-Ag-Cu焊点的力学性能和显微组织分析 作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 张昕， 薛松柏， 韩宗杰， 韩宪鹏 南京航空航天大学,材料科学与技术学院,南京,210016 焊接学报 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIO

10、N 2008,29(2 参考文献(9条 1.郭福 无铅钎焊技术与应用 2006 2.Flanagan A;Conneely A;Glynn T J Laser soldering and inspection of fine pitch electronic components 1996(02 3.Suganuma K Advances in lead-free electronics soldering外文期刊 2001(01 4.Yoon J W;Lee Y H;Kim D G Intermetallic compounds layer growth at the interface between Sn-Cu-Ni solder and Cu substrate 2004(1-2 5.Hoult T Laser solutions for soldering外文期刊 2004(02 6.Xue Songbai;Wang Hui;Hu Yongfang Effects of thermal cycling on soldering joints' shear strength of lamina