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電子元器件電極表面狀態對互連焊接可靠性的影響

2019-02-19

一、從可靠性的角度出發

現代各類引腳(電極)所用基體金屬材料及其特性,以及在基體金屬上所可能采取的各種抗腐蝕性及可焊性保護塗層材料的焊接性能,塗層在儲存過程中發生的物理、化學反應,塗層的成分、致密性、光亮度、雜質含量等對焊接可靠性的影響,從而優選出抗氧化能力、可焊性、防腐蝕性最好的塗層,以及獲得該塗層的最佳工藝條件,是確保焊接互連可靠性的重要因素之一。在現代電子産品中已普遍實現IC、LSI、VLSI化,對其所使用的電極材料越來越重視。

例如,材料的電阻率、熱膨脹系數、高溫下的機械強度、材質和形狀等都必須要細致地考慮。對現代電子工業用的引腳(電極)材料的基本要求是:

●導電性和導熱性要好;

●熱膨脹系數要小;

●機械強度要大;

●拉伸和沖裁等加工性能要好。目前普遍使用的引腳材料可分爲Fe-Ni基合金和Cu基合金兩大類。

二、電子元器件引脚用材料对焊接可靠性的影响

1.Fe-Ni基合金1)特征及應用範圍Fe-Ni基合金系中的科瓦合金等品牌,當初是作爲玻璃封裝用的合金而開發的。其熱膨脹曲線與的Si是近似的,如圖1所示。而且還可將其作爲Au-Si系焊接的焊材進行直接焊接。因此,在MOS系列器件中普遍采用它作爲引腳材料。Fe-Ni基合金系的代表性合金是42合金,由于它機械強度大,熱膨脹系數小,故廣泛用做陶瓷封裝芯片的電極材料。

電子元器件電極表面狀態對互連焊接可靠性的影響

圖1

2)常用品牌成分及其特性主要Fe-Ni基合金的特性如表1所示。表1

電子元器件電極表面狀態對互連焊接可靠性的影響

由于本合金系存在著磁性及電阻率大的特點,故作爲引腳材料是其不足之處。因此它專用于功率消耗比較小,産生熱量比較少的MOS類IC器件。

2.铜基合金当电子电路进入到大集成化、高密度组装化阶段,发生在其引脚上的电阻热已成为不可忽视的问题。因此,广泛采用导热性、导电性好及在高温下机械性能也好的新的Cu基合金替代Fe-Ni基合金,来满足元器件引脚材料的发展要求,已成为電子元器件业界所关注的问题。由于Cu基合金系导电性和导热性均好,散热性也不错,而且与42合金相比价格上也有优势,故广泛应用于塑料封装芯片中。

3.Cu包不鏽鋼引腳材料爲了能同時滿足機械強度和散熱性的目的,在日本正在開發以不鏽鋼(SUS430系)作爲芯材,再在其兩面按10/80/10的比例鍍無氧銅的金屬包層的新的引線框材料。

三、引腳的可焊性塗層對焊接可靠性的影響

1.可焊性表示金屬及其金屬塗層表面對軟釺料的潤濕能力。這種能力通常都是在規定的助焊劑和溫度的條件下,測定熔融焊料在其上的實際潤濕面積和潤濕的最小時間來評估其優劣的。

2.可焊性狀態分類軟釺料在金屬及其金屬塗層上的潤濕狀況可分成下述3種類型。(1)潤濕(Wetting):釺料在基體金屬表面能形成一層均勻、光滑、完整的釺料薄層,如圖2所示。

電子元器件電極表面狀態對互連焊接可靠性的影響


圖3

(3)不潤濕(Non-wetting):釺料在基體金屬表面僅留下一些分離的、不規則的條狀或粒狀的釺料,它們被一些小面積薄層釺料和部分暴露的基體金屬面積所包圍,如圖4所示。

電子元器件電極表面狀態對互連焊接可靠性的影響

圖4

3.可焊性塗層的分類焊接過程是熔化的軟釺料和被焊的基體金屬結晶組織之間通過合金反應,將金屬和金屬結合在一起的過程。許多單金屬或合金都可以和SnPb、SnAgCu等釺料發生冶金反應而生成IMC,從理論上講,它們均可以作爲可焊性鍍層。

按焊接時的熔化狀態的不同,又可將其分成3類:

(1)可熔鍍層:焊接溫度下鍍層金屬熔化,如Sn、Sn-Pb合金鍍層等。

(2)可溶鍍層:焊接溫度下鍍層金屬不熔化,但其可溶于焊料合金中,如Au、Ag、Cu、Pd等,如圖5所示。

電子元器件電極表面狀態對互連焊接可靠性的影響

電子元器件電極表面狀態對互連焊接可靠性的影響

圖5

(3)不熔也不溶鍍層:焊接溫度下鍍層金屬既不熔化,也不溶于焊料中,如Ni、Fe、Sn-Ni等。

4.可焊性鍍層的可焊性評估1)影響鍍層可焊性的因素影響可焊性鍍層可焊性的因素有:鍍層本身的性質、厚度、施鍍方法、表面塗敷、存放時間和環境、焊接工藝條件(焊料和助焊劑、焊接參數和工藝方法)等。

歸納起來如下。

(1)基體金屬鍍層表面被氧化。

●引线涂敷后未能彻底清洗,表面可能有氯离子、硫化物等酸性残留物。这些残留物质与空气中的氧和潮气接触后就会使镀层表面氧化。Sn或Pb的氧化物熔点非常高,如PbO熔点为888℃;PbS熔点为1 114℃,SnO2熔点为1127℃。Sn、Pb等的氧化物在正常焊接温度下不能熔解,形成有害的物质覆盖在镀层的表面上,从而导致引线可焊性劣化。

●即使表面清洗幹淨的引線如果儲存條件不良,長時間置放在潮濕空氣中或含有酸、堿等物質的有害氣體中,引線表面鍍層金屬也會發生氧化,使引線表面出現白點或發黃、發黑。

(2)引線基體金屬表面處理不良。引線塗敷前某些金屬表面有金屬氧化物或油脂等時,這些物質會使金屬鍍層與基體金屬結合力下降,造成虛焊和脫焊。

(3)引線鍍層不良。鍍層太薄或鍍層不連續或疏松、有針孔,會影響引線的儲存性能,使可焊性劣化。在Cu表面鍍Sn、SnPb合金,能防止Cu氧化。但由于鍍層疏松有針孔,使基體Cu表面與空氣之間産生了通道,從而導致下述後果:

●大氣中的氧和潮氣通過鍍層中的針孔與基體金屬表面接觸,使基體金屬氧化和腐蝕。

●由于Sn、Pb的標准電極電位都比Cu負,是陰極性鍍層,當潮氣通過鍍層中的針孔與基體金屬表面接觸時便形成一個微電池,鍍層金屬Sn或SnPb合金將被腐蝕。2)金屬擴散層的影響在電鍍中鍍層Sn和SnPb合金與基體金屬Cu表面是原子結合,而熱浸塗層Sn和基體金屬Cu之間存在Cu6Sn5化合物。這種化合物能使鍍層Sn黏附在基體金屬上,但隨著時間增長,基體金屬Cu和鍍層金屬Sn之間繼續擴散,合金層生長過厚就有可能生長出極薄的Cu3Sn化合物,這將降低可焊性,影響焊接強度。


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