覆Ag層對用于LD封裝的In焊料性能的影響

王永平，程東明，伏桂月，張 勇，盧小可，張微微

（鄭州大學物理工程學院，鄭州 450000）

1 引言

隨著技術的進步，LD的轉換效率以及輸出功率也不斷提高，這就對器件的封裝技術提出了更高的要求，尤其對焊料的研發與選用提出了新的挑戰。由于LD管芯一般是P面朝下貼裝在熱沉上的，有源區距熱沉距離很小，所以在封裝過程中，焊料對管芯的性能有決定性的影響。

用于LD封裝的焊料一般是In焊料和Au80Sn20焊料，In焊料為軟焊料，具有良好的塑性形變和濕潤特性，可以很好地濕潤大多數金屬，而且可以緩解芯片與熱沉膨脹系數的不匹配，被廣泛應用于LD器件的封裝。但In在燒結過程中易氧化，可在In焊料表面鍍一層Ag作為保護層，由圖1可知在In wt.97%時形成熔點為144℃的共晶合金AgIn2，Ag的加入有效地降低了焊點熔點溫度[6～9]。本文從Ag層厚度和降溫速率對內部In焊料性能的影響做了系統的分析。

圖1 Ag-In二元相圖

2 樣品的制備

為研究Ag層對In焊料性能的影響，我們分三次分別在Si基底上用真空蒸發的方法鍍覆有Ag層200nm、400nm、600nm的In焊料各三片。對三種樣品分別在峰值溫度為180℃的空氣環境下進行模擬回流處理，所有樣品均在峰值溫度下保持1min，最后使樣品分別在冷風加速冷卻、自然冷卻和5℃/min的速率下冷卻至室溫。對所有樣品進行掃描電子顯微鏡表面形態觀察和XRD成分分析。

3 結果與討論

使用X’Pert PRO型X射線衍射分析儀對樣品進行了成份分析，得到了三種樣品在不同冷卻速率下的XRD圖譜，如圖2～圖4。

由圖2我們可以看出，在Ag層厚度為200nm時，三種不同的冷卻速率下，樣品均出現了氧化物In2O3的峰值，說明了Ag層為200nm時，焊料在空氣環境下加熱發生了氧化，此時的Ag層厚度還不足以防止焊料在空氣環境下回流時氧化現象的發生。

在Ag層為400nm的樣品中，如圖3所示，冷風加速降溫和自然降溫的情況下，XRD測試中只出現了In和AgIn2的峰值，說明Ag層為400nm時，在上述兩種條件下內部的In焊料已得到了很好的保護。但在5℃/min的速率冷卻的情況下，仍然看到了In2O3的峰值。

圖4為Ag層厚度為600nm時的XRD圖譜，從圖中可以看到，樣品在三種不同冷卻速率下，均沒有出現In2O3，說明此時Ag層已完全達到在空氣環境下焊接而不氧化的效果，但此時的金屬間化合物AgIn2的厚度也是最厚的。

圖2 200nm Ag層樣品XRD圖譜

圖3 400nm Ag層樣品XRD圖譜

圖4 600nm Ag層樣品XRD圖譜

為進一步研究樣品的特性，使用JSM-6700F型掃描電子顯微鏡（SEM）對樣品進行了表面形貌的觀察。圖5～圖7為樣品的SEM圖片，從圖中可以看出覆蓋有Ag的焊料顆粒間隙均很小，從而減少了LD管芯焊接過程中焊料空洞的產生。通過仔細觀察可以發現，隨著降溫速率的減小，焊料表面的顆粒逐漸變大。在冷風加速冷卻時所產生的焊料表面顆粒是最細密的，因為冷卻速率增大，形核率增加，但長大速度變小，這與金相理論相吻合，所以可以得到致密性較好的表面，從而改善了焊料的濕潤特性[1,10]。

冷卻速率過慢，Ag和In有充分的時間相互擴散、形核并生長成較大的晶粒。并且冷卻速率過慢，可使焊料底部In焊料通過液體間的擴散而擴散到Ag層上面，與氧氣接觸而氧化，這也是圖3氧化物峰值出現的主要因素。

圖5 200nm Ag層樣品SEM圖片

4 總結

圖6 400nm Ag層樣品SEM圖片

本文通過對覆蓋不同厚度Ag層的In焊料的研究，得到了覆Ag層In焊料性能的影響。通過以上討論可知：Ag層過薄，對內部In焊料的保護作用不明顯；而Ag層過厚，在焊接界面形成的金屬間化合物（IMC）過多，IMC層過厚會增加焊接表面的脆性，從而影響焊接的可靠性，導致器件的使用壽命降低[11,12]。焊料在使用的過程中，冷卻速率也是影響焊接質量的關鍵因素，由SEM圖片可以看出，較快的冷卻速率有利于形成致密且均勻的焊料顆粒，對提高焊點性能有很大幫助。綜合以上因素并從生產工藝方面考慮，厚度為400nm的Ag層可作為提高In焊料性能的最優選擇。

圖7 600nm Ag層樣品SEM圖片

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