福英達(dá)激光錫膏_激光焊接可靠性
福英達(dá)激光錫膏_激光焊接可靠性
回流焊接工藝經(jīng)過(guò)了多年的發(fā)展目前已經(jīng)是相當(dāng)成熟的軟釬料焊接工藝，回流的時(shí)間只需要幾分鐘即可。那么有沒(méi)有一種焊接速度更快的工藝呢？激光技術(shù)的應(yīng)用很早也很廣，但是應(yīng)用到軟釬焊上卻比較晚。激光焊接通過(guò)發(fā)射激光束產(chǎn)生熱能，在幾秒內(nèi)就能實(shí)現(xiàn)錫膏/焊料球的熔融焊接。激光焊接能夠用在低溫和中高溫的焊接場(chǎng)合，具有局部加熱，非接觸式和焊接耗時(shí)短等優(yōu)點(diǎn)。激光焊接能夠在細(xì)小焊盤上完成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)焊接任務(wù)，在高封裝密度，芯片微型化的電子設(shè)備上應(yīng)用前景很廣。
激光焊接測(cè)試
激光焊接的可靠性一直是業(yè)內(nèi)討論的話題。需要對(duì)焊料的配方和激光焊接工藝進(jìn)行不斷摸索才能找到適配的參數(shù)。為此Jeong等人就對(duì)激光焊接工藝進(jìn)行了可靠性測(cè)試。他們選擇了SnBi共晶BGA焊料球(Sn42Bi58)和化學(xué)鎳鈀金處理銅焊盤(ENEPIG)作為激光焊接測(cè)試材料。測(cè)試的激光功率包括130W，150W和170W。測(cè)試焊接時(shí)間為2s和4s。
圖1. 測(cè)試焊盤和激光焊接示意圖。
激光焊接微觀結(jié)構(gòu)
有效的焊接通過(guò)冶金結(jié)合實(shí)現(xiàn)，主要通過(guò)焊料和焊盤金屬的界面反應(yīng)和IMC生長(zhǎng)而實(shí)現(xiàn)。由圖2可以看到，當(dāng)激光功率較低(130W)，焊接表面生成的IMC類型是板型的(Pd, Au)Sn4。當(dāng)焊接條件變?yōu)?50W (2s)，IMC依舊是(Pd, Au)Sn4。不過(guò)如果在150W下焊接4s，IMC種類發(fā)生變化，出現(xiàn)了(Cu, Ni)6Sn5。并且部分Ni被反應(yīng)消耗，會(huì)出現(xiàn)富P Ni層。在170W焊接4s后也發(fā)現(xiàn)富P Ni層。在高能量下，Au和Pd層完全溶解進(jìn)焊料并抑制(Pd, Au)Sn4的形成。
圖2. 激光焊接后的焊點(diǎn)SEM圖。(a, b) 130W, 4s; (c, d) 150W, 2s; (e, f) 150W, 4s; (g, h) 170W, 2s; (i, j) 170W, 4s。
在110℃老化100小時(shí)后，在所有樣品中都能觀察到富P Ni層，并且在富P Ni層下面形成了(Cu, Ni)3Sn。對(duì)于130W（4s）和170W（2s）的條件，(Pd，Au)Sn4 從焊盤界面脫落。對(duì)于高激光能量170W(4s)條件測(cè)試下的樣品，老化后IMC厚度大于其它測(cè)試條件的樣品且一部分(Cu, Ni)6Sn5轉(zhuǎn)化為(Cu, Ni)3Sn。此外還出現(xiàn)了Bi偏析。Bi偏析是因?yàn)檫^(guò)飽和Bi在(Cu, Ni)3Sn溶解度較低，Bi因此析出并沉淀。
當(dāng)老化時(shí)間進(jìn)一步演延長(zhǎng)到2000小時(shí)，所有激光焊接條件的焊點(diǎn)都出現(xiàn)更多Cu, Ni)3Sn生長(zhǎng)。并且150W(4s)焊接條件的焊點(diǎn)還開(kāi)始出現(xiàn)Bi偏析和空洞，削弱了焊點(diǎn)可靠性。
圖3. 110℃老化100小時(shí)的焊點(diǎn)SEM圖。(a, b) 130W, 4s; (c, d) 150W, 2s; (e, f) 150W, 4s; (g, h) 170W, 2s; (i, j) 170W, 4s。
圖4. 110℃老化2000小時(shí)的焊點(diǎn)SEM圖。(a) 130W, 4s; (b) 150W, 2s; (c) 150W, 4s; (d) 170W, 2s; (e) 170W, 4s。
剪切強(qiáng)度
焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度和老化時(shí)間有著直接關(guān)聯(lián)。當(dāng)老化時(shí)間增加，焊點(diǎn)斷裂模式從韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?。老化過(guò)程中脆性IMC過(guò)度生長(zhǎng)，IMC層增厚，Bi偏析和空洞都會(huì)導(dǎo)致剪切強(qiáng)度的減弱。所有測(cè)試樣品老化過(guò)程剪切強(qiáng)度變化的趨勢(shì)都相似。150W(4s)條件的焊點(diǎn)在500小時(shí)老化后出現(xiàn)剪切強(qiáng)度的巨幅下降。170W(4s)條件的焊點(diǎn)強(qiáng)度則是在250小時(shí)就出現(xiàn)大幅下降。130W(4S)和170W(2s)的條件的樣品在老化前期剪切強(qiáng)度較低。但是在老化2000小時(shí)后，強(qiáng)度反而要優(yōu)于其他焊接條件。Jeong認(rèn)為170W(2s)是最佳的激光焊接條件，因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間老化后強(qiáng)度依舊優(yōu)秀，并且在1000-2000小時(shí)老化期間強(qiáng)度下降速度比130W(4S)小很多。
圖5. 老化過(guò)程剪切強(qiáng)度變化。
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參考文獻(xiàn)
Jeong, M.S., Lee, D.H., Kim, H.T. & Yoon, J.W. (2022). “Reliability of laser soldering using low melting temperature eutectic Sn-Bi solder and electroless Ni-electroless Pd-immersion Au-finished Cu pad”, Material Characterization, vol.194.
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