微量 Ag、Bi、Ni 对无铅微焊点固-液界面扩散的影响

目前焊点的实际服役条件下，焊点承受着巨大 的电载荷和热载荷。在电载荷的作用下，焊点内部 存在电流拥挤效应，即在电流流入和流出焊点处电 流密度要比焊点内平均电流密度大 2~3 个数量级，焦耳热的作用致使焊点内局部发热量增大；此外， 随着越来越小的硅电路里的电子移动越来越快，芯片温度大幅度升高。因此，在电载荷和热载荷共同 作用下，焊点内部很可能会出现局部熔化现象。有关研究表明焊点合金熔化是电子元器件服役早期发 生失效的主要原因。这意味着进行微焊点固-液界 面扩散的相关研究极其必要。 一直以来，微量元素对钎料界面反应的影响受 到了广泛关注。有研究表明：添加适量Ni元素能显著细化 Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎料合金初生β-Sn相和共晶组织，抑制焊点界面区(Cu,Ni)6Sn5 金属间化合物的生长和表面粗糙度的增加，提高无铅焊点抗剪强度。在浸焊后，Sn-9Zn/Cu 钎焊接头界面 形成了扇贝状的界面化合物 Cu5Zn8，IMC 层厚度随 着浸焊时间与时效处理时间的增加而增加，未时效处 理的焊点界面 IMC 与铜基板接触的一面较为平直， 而与钎料接触的一侧呈现出锯齿状[8]。胡小武等[9]研 究了稀土元素 Er 对 SnCu 钎料界面反应的影响，结 果表明 Sn0.7Cu 钎料中微量稀土 Er 元素的添加，能 有效抑制钎焊及时效过程中界面 IMC 的形成与生 长。以上研究主要关注的是微量元素对固-固扩散的 影响，有关固-液扩散过程中微量元素对界面扩散的 影响鲜有报道。 自电子封装钎料实施无铅化以来，Sn-Ag-Cu 系 无铅钎料受到广泛关注。尤其是SAC305 钎料凭借 着低熔点、良好润湿性已经被广泛应用，但由于其 含 Ag 量较高(质量分数 3%)，使钎料成本提高的同时，降低了焊点的抗振动、冲击的性能。因此开发 性能优良的低银 Sn-Ag-Cu 系无铅钎料极其必要。 本文以一种新型低银钎料SAC0705+Bi+Ni为主 要研究对象，并以 SAC0705 及 SAC305 为对比，研 究了三种成分焊点固-液扩散后界面 IMC 的形貌及 厚度变化，分析了微量元素 Ag、Bi、Ni 对微焊点固 -液扩散的影响。 1 实验 实验选用 FR-4 制备的实验芯片和基板，如图 1(a)所示，焊盘直径为310μm，焊盘为 4×6 阵列形 式，焊球直径为400μm。焊球成分分别为 SAC305、 SAC0705、SAC0705+Bi+Ni。 通过两次回流焊获得Cu/SAC/Cu 焊点，第一次 回流焊将钎料球焊接到实验基板上，第二次回流焊 将实验基板与芯片连接，回流焊的峰值温度为 265 ℃，回流时间为 500 s。固-液扩散实验将回流焊 后的实验板放在 230 ℃下保温，保温时间为 30 min。 实验后采用深腐蚀技术获得界面 IMC 的立体形 貌，并用扫描电镜对微观形貌进行观察。采用 AutoCAD 软件对焊点界面 IMC 厚度进行测量。 

图1 回流焊后焊点及界面微观形貌

Fig.1 The microstructures of the solder joints and interface  after reflow  

2 实验结果分析 

2.1 Ag 含量与固-液扩散中界面 IMC 的生长行为 图 1(a) 、 (b) 分别为 Cu/SAC305/Cu 、 Cu/SAC0705/Cu 回流焊后焊点微观形貌及通过深腐 蚀获得的界面 IMC 微观立体形貌。回流后，焊点体 钎料与界面之间均形成了一层界面 IMC。能谱分析 表明两种焊点界面 IMC 均为 Cu6Sn5化合物。且界面 IMC 截面形貌均存在微小峰谷，其中 Ag 含量较高 的 SAC305 焊点界面 IMC 峰谷平均间距较小。从界 面 IMC 的立体形貌上看，SAC305 焊点界面 IMC 的 平均晶粒尺寸较小，且有很多初生的细小晶粒，平 均晶粒尺寸约为 3 μm。SAC0705 焊点界面 IMC 的 晶粒尺寸均匀，晶粒尺寸约为 5 μm，值得注意的是 界面 IMC 晶粒出现了合并现象，即相邻晶粒相互吞 并形成了一个大晶粒，如图 2(b)中的红色区域所示。 随着 Ag 含量的增加，回流焊后焊点界面 IMC 的晶 粒尺寸减小，晶粒度增大。分析原因主要由于 Ag 与 Sn 之间可形成 Ag3Sn 化合物，其熔点为 480 ℃， 界面 IMC 主要成分为 Cu6Sn5，其形成温度为 415 ℃， 因此在回流焊温度（峰值温度 265 ℃）范围内，Ag3Sn 晶粒的形成的过冷度更大，要先于 Cu6Sn5 形成。钎 料中 Ag 含量的增加，回流焊过程中界面及钎料内部Ag3Sn 颗粒量增加，Ag3Sn 可作为 Cu6Sn5 的形核质 点，提高了界面处Cu6Sn5 的形核率，因此，回流焊后SAC305 焊点中界面 IMC 晶粒尺寸小于 SAC0705。 图2（a）、(b)为Cu/SAC305/Cu、Cu/SAC0705/Cu 焊点在230 ℃时效 0.5 h 后焊点及界面 IMC 的微观 形貌。与回流焊后相比，长时间固-液扩散后界面 IMC 的形状和尺寸均发生了变化。两种成分焊点界 面 IMC 截面形貌仍存在微小峰谷，但与回流焊后相 比峰谷间距大幅度增加，其中 Ag 含量较高的 SAC305 焊点界面 IMC 峰谷平均间距较小且峰谷间 的高低差较大。从界面 IMC 的立体形貌上看，长时 间固-液扩散后两种钎料界面 IMC 的晶粒尺寸均有 所增加，SAC305 焊点界面 IMC 晶粒由多边形柱状 生长为更加粗壮的圆柱状，晶粒尺寸约为8 μm； Cu/SAC0705/Cu 焊点界面 IMC 发生了大面积合并， 最终形成了扁平的多边形状，晶粒尺寸约为 13 μm。

2 热时效后焊点及界面微观形貌 

Fig.2 The microstructures of the solder joints and interface  after thermal aging

可见钎料中Ag 含量的增加，抑制了 Cu6Sn5 晶粒的 长大，这是由于含银量较高的钎料内，Ag3Sn 质点 较多，Ag3Sn 质点分布于 Cu6Sn5 晶粒晶界处，会阻 碍 Cu6Sn5 晶界运动，防止晶粒长大。 2.2 Bi、Ni 添加与固-液扩散中界面IMC的生长行为图 3(a)为 Cu/SAC0705+Bi+Ni/Cu 焊点回流焊后 焊点及界面 IMC 的微观形貌。界面IMC表面存在很 多细小毛刺，能谱分析表明其成分为(Cux,Ni1-x)6Sn5，可见钎料中 Bi 并未参加界面反应，而Ni 参加了界面反应，使界面 IMC 发生了 Cu6Sn5 向(Cux,Ni1-x)6Sn5 的转变。深腐蚀后可见界面 IMC 形貌为蠕虫状，与 Cu/SAC0705/Cu 焊点的界面IMC相比，其晶粒明显 细化，平均晶粒尺寸约为 1 μm。这是由于Ni 与Cu 原子半径相近，钎料中添加 Ni 元素后，Ni 原子将取代Cu6Sn5中部分Cu原子的位置形成以Cu6Sn5 化合物为基体的(Cux,Ni1-x)6Sn5化合物。Ni 原子的融入将导致晶格畸变，使(Cux,Ni1-x)6Sn5 晶粒间晶格位相差增大，阻碍晶粒的生长，获得细小的晶粒。

图 3 SAC0705+Bi+Ni 焊点及界面微观形貌 

Fig.3 The microstructures of the SAC0705+Bi+Ni solder and  interface

Cu/SAC0705+Bi+Ni/Cu 焊点在 230 ℃时效 0.5 h 后焊点及界面 IMC 形貌如图 3(b)所示。长时间固- 液扩散后，从界面 IMC 截面形貌上看，在界面近区 体钎料内出现很多 IMC。深腐蚀后可以观察到界面 IMC 表现为两种形态，一部分继续保持原来的细小 的蠕虫状，另一部分生长为细长的柱状。分析原因主要是由于钎料中 Ni 的添加量较少，长时间固-液 保温后 Ni 消耗殆尽，(Cux,Ni1-x)6Sn5 晶粒由于晶格畸 变导致晶格位相差的不同，晶粒间彼此吞并进一步 长大困难。然而某些(Cux,Ni1-x)6Sn5 晶粒由于成分及 晶格内部原子的排列更有利于 Cu、Sn 原子的结合， 获得了优先长大机会，成长为细长柱状 IMC 晶粒。 2.3 界面 IMC 层厚度变化 图 4 为回流焊后及热时效后三种钎料界面 IMC 层厚度变化情况。回流焊后 Cu/SAC305/Cu 、 Cu/SAC0705/Cu、Cu/SAC0705+Bi+Ni/Cu 三种焊点 界面 IMC 层厚度分别为 9.31，6.88，4.65 μm。可见 在回流焊过程中，钎料中 Ag 含量的增加促进了界面 IMC 厚度生长，Ni、Bi 元素的添加抑制了界面 IMC 厚度的增加。这主要是由于 IMC 厚度的增加主要靠 Cu、Sn 原子的晶界扩散来完成，Ag 含量的增加细化 了 IMC 的晶粒，增加了 Cu、Sn 原子的扩散通道，促进了界面 IMC 层厚度的增加。钎料中 Ni 元素的加入 虽细化了晶粒，增加了晶界数量，但大大降低了Cu在Sn 中的溶解度[10]，抑制了Cu 扩散进入 IMC/Cu 界面形成界面 IMC，导致其界面 IMC 厚度最小。 

图4 回流焊后及热时效后界面 IMC 层厚度 

Fig.4 The thicknesses of interface IMC after reflow and  thermal aging  

3 结论 

（1）回流焊后，钎料中微量元素 Ag、Bi、Ni 添加可细化界面 IMC 晶粒，对提高界面强度有利。 

（2）长时间的固-液时效过程中，界面IMC 的生长速率主要取决于界面IMC的晶粒尺寸。钎料中 合金元素 Ag、Bi、Ni 的添加细化了界面 IMC 晶粒， 增大了固-液扩散过程中界面IMC的生长速率。