如何優(yōu)化中溫?zé)o鉛錫膏的回流時(shí)間？

中溫?zé)o鉛錫膏的熔點(diǎn)介于低溫?zé)o鉛錫膏和高溫?zé)o鉛錫膏之間。對(duì)于需要多次回流封裝的廠家，中溫錫膏的熔點(diǎn)在210多攝氏度左右，能夠適用于多次回流中的第一次回流。錫銀銅305 (SAC305)無(wú)鉛錫膏的熔點(diǎn)為217℃，在不極端的條件下比SnPb具有更好的抗熱疲勞性能，因此得到了廣泛使用。但是SAC錫膏在回流過(guò)程會(huì)生成金屬間化合物并影響焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度，因此為了保證良好的可靠性，需要對(duì)SAC錫膏回流做出優(yōu)化。

為了找出最合適的回流時(shí)間，需要完成一系列的實(shí)驗(yàn)。比如Gong等人(2021)使用SAC305錫膏采取不同回流時(shí)間對(duì)銅片進(jìn)行焊接后，將焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比。并與SnZn9Bi2.5In1.5進(jìn)行了比較。下表羅列了回流實(shí)驗(yàn)的參數(shù)。機(jī)械強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)以100μm/s的推力速度在基板上方150μm的高度水平移動(dòng)，直到銅片剝落。

表1. 回流實(shí)驗(yàn)參數(shù)。


結(jié)論
SAC305無(wú)鉛錫膏回流焊接會(huì)出現(xiàn)持續(xù)的Cu6n5生長(zhǎng)。隨著回流時(shí)間(熔點(diǎn)之上)的增加到50s，焊點(diǎn)開(kāi)始出現(xiàn)Cu3Sn層并且不斷的長(zhǎng)大，并且后續(xù)都出現(xiàn)不同程度的空洞(紅色圓圈)。金屬間化合物生成的機(jī)制主要是金屬成分?jǐn)U散和界面反應(yīng)。在回流過(guò)程中，Cu向焊料的溶解并發(fā)生界面反應(yīng)。由于高生長(zhǎng)速率，Cu6Sn5晶粒呈不規(guī)則扇形生長(zhǎng)。隨著回流時(shí)間的增加和Cu原子沿晶界擴(kuò)散，Cu6Sn5晶粒不斷生長(zhǎng)。Cu6Sn5又會(huì)和Cu反應(yīng)生成Cu3Sn。焊料層中的Ag3Sn對(duì)可靠性基本沒(méi)有影響，反而其微小顆粒能夠起到細(xì)化晶粒的作用并增強(qiáng)可靠性。

圖1. 無(wú)鉛焊點(diǎn)金屬化合物層的變化?；亓鲿r(shí)間: (a)5s, (b)50s, (c)80s, (d)120s, (e)900s, (f)1800s。

如圖2所示，當(dāng)回流時(shí)間(熔點(diǎn)之上)控制在50-120秒的時(shí)候，SAC305焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度較高。盡管回流時(shí)間為180s的時(shí)候剪切強(qiáng)度略有上升，但隨著回流時(shí)間進(jìn)一步增加，強(qiáng)度斷崖式下跌。因此，SAC305錫膏推薦的回流時(shí)間大致在50-120秒左右。SnZn9Bi2.5In1.5錫膏具有比SAC305錫膏更優(yōu)秀的剪切強(qiáng)度，但是仍未普及使用，僅作為對(duì)照組。

圖2. 剪切強(qiáng)度對(duì)比。

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參考文獻(xiàn)
Gong, S.L., Chen, G.Q., Qu, S.T., Ren, A.S., Duk, V., Shi, Q.Y. & Zhang, G. (2021). “Shear strength and fracture analysis of Sn-9Zn-2.5Bi-1.5In and Sn-3.0Ag-0.5Cu pastes with Cu-substrate joints under different reflow times”, Microelectronics Reliability, vol.127.

審核編輯 黃宇