SAC305釬料-Cu基板的熱壓焊工藝及焊點組織研究.pdf

1、在電子封裝互連工藝中，一個完整的微焊點包括釬料、焊盤及聯(lián)系二者之間的界面連接層，釬料合金與焊盤之間形成一層連續(xù)且均勻的IMC是良好冶金連接的基本保障，軟釬焊作為使用最多的連接方法之一發(fā)揮著極其重要的作用。脈沖式熱壓焊可以實現(xiàn)釬焊焊頭的快速升溫和冷卻，在溫度敏感型器件的連接領(lǐng)域中，熱壓焊由于焊接效率高、接頭強度高、高溫停留時間短等優(yōu)點得到了廣泛地應(yīng)用。
　　本文采用熱壓焊試驗方法，以SAC305無鉛釬料為基體焊料，納米N1顆粒為增強

2、相，在釬料片表面局部區(qū)域添加納米顆粒，分別制備Cu/SAC/Cu和Cu/SAC-nanoN1/Cu微焊點。
　　首先，研究峰值溫度、焊接時間和焊接壓力對Cu/SAC305/Cu焊點釬料區(qū)組織特征和界面IMC形貌與厚度的影響，研究確定適合的熱壓焊工藝參數(shù)范圍，同時對比分析熱壓焊和回流焊工藝下焊點組織、界面IMC層厚度和焊點硬度之間的差異。得出以下結(jié)論:
　　研究焊接壓力的優(yōu)選參數(shù)范圍時，當焊接壓力為10N時，形成的界面IMC層

3、很薄;當壓力為20N-40N時，焊點釬料區(qū)組織細化程度較好，界面IMC厚度適中;當壓力為60N時，在界面處因壓力過大會擠出部分液態(tài)釬料，殘留的液態(tài)釬料不足以與母材發(fā)生相互作用，使釬焊界面很難被充分填滿，導(dǎo)致焊點釬料區(qū)組織粗化且界面化合物層明顯粗糙化，溝槽谷深度變淺。因此可獲得焊接壓力的優(yōu)選范圍為20N-40N。
　　在確定焊接壓力的范圍后，討論峰值溫度和焊接時間的優(yōu)選范圍。峰值溫度為240℃時，焊接時間低于7s時無法形成有效焊點，

4、其最優(yōu)焊接時間范圍是7s～8s;溫度為260℃時，形成有效焊點的最短焊接時間為5s，其最優(yōu)焊接時間范圍是6s～8s;溫度為280℃時，焊接時間低于4s時未發(fā)生潤濕反應(yīng)形成有效焊點，其最優(yōu)焊接時間范圍是5s～7s;最優(yōu)焊接時間隨峰值溫度的升高而逐漸減小。
　　隨焊接時間的延長，Cu/SAC305/Cu焊點IMC層厚度不斷增加，同時體釬料中β-Sn初晶相平均尺寸也會隨之增大，β-Sn初晶相由胞狀分布轉(zhuǎn)變?yōu)橹罘植甲罱K變?yōu)榘麪罘植肌：?/p>

5、點IMC層隨焊接溫度的升高不斷增厚，界面扇貝狀I(lǐng)MC的溝槽谷深度在增加，其形貌從平緩的扇貝狀向陡峭的扇貝狀轉(zhuǎn)變。焊接壓力升高時，焊點界面IMC厚度呈現(xiàn)先增加后緩慢降低的變化趨勢。
　　同一溫度條件下，熱壓焊后界面IMC層厚度要薄于回流焊后焊點的。在焊接溫度為260℃和280℃時，熱壓焊后界面IMC層厚度僅為回流焊后焊點的46％，熱壓焊后焊點釬料的硬度明顯高于回流焊后焊點的。
　　其次，分析納米N1含量對Cu/SAC-nano

6、Ni/Cu焊點釬料區(qū)組織、界面IMC形貌與厚度及焊點硬度的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論:
　　添加的納米Ni會與基體釬料發(fā)生反應(yīng)形成微小尺度的(Cu，N1)6Sn5化合物作為異質(zhì)形核質(zhì)點彌散分布在釬料組織中，同時細化β-Sn晶粒，且細化效果隨納米N1含量的增多更為顯著。焊點界面IMC形貌由扇貝狀特征逐漸向?qū)訝钚螒B(tài)過渡，當納米N1含量為1.0wt％時IMC的層狀特征更加明顯。界面IMC的厚度隨納米N1含量的增加而逐漸增厚，當納米N1顆粒含

7、量為1.0wt％時，焊點界面IMC層厚度為2.43μm，比未添加納米顆粒的界面IMC層增加了108μm。
　　隨著峰值溫度的升高，體釬料中β-Sn初晶相的尺寸在增大，且析出的共晶組織均勻分布在β-Sn相邊界處。焊點界面IMC層厚度隨峰值溫度的升高略有增厚，溫度對界面IMC層的厚度影響不明顯。
　　隨著納米Ni顆粒的添加，焊點釬料的硬度得到明顯的提升。當納米N1顆粒的含量為0.5wt.％時，焊點釬料的硬度有最大值為190.56