厚金鍍層上In60Pb40焊料焊接分立器件研究

張浩　楊晶

【摘 要】針對厚金鍍層中使用Sn62Pb36Ag2合金焊料焊接分立器件容易出現焊點不良的問題，使用In60Pb40合金焊料進行厚金鍍層的焊接實驗。研究In60Pb40合金焊料焊接后的焊點外觀、焊接強度，并對老化前后金屬間化合物厚度及成分進行了分析。研究結果表明，銦-鉛合金焊料的焊接外觀比錫-鉛共晶焊料更好，形成的IMC層對金在焊接層中的擴散具有很好的抑制作用。

【關鍵詞】厚金鍍層；In60Pb40合金；金屬間化合物

中圖分類號： TH87 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）36-0014-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.006

Study of Discrete Device Using In60Pb40 Solder To Thick Au Metallizations

ZHANG Hao YANG Jing

（Wuxi Zhongwei High-tech Electronics Co.，Ltd.Wuxi Jiangsu 214035， China）

【Abstract】In order to solve the problem of incompetent welding which discrete devices using Sn62Pb36Ag2 alloy solder to the thick Au metallizations， this time use In60Pb40 solder to do the experiment of soldering to the thick Au metallizations.The samples of In60Pb40 alloy solder used for researching on the solder welding appearance. The thickness and composition of intermetallics before and after aging were also analyzed. The results show that the welding appearance of indium-lead alloy solder is better than that of tin-lead eutectic solder， and the IMC layer formed has a good inhibition effect on the diffusion of gold in the welding layer.

【Key words】Thick Au metallizations； InPb alloys； Intermetallic compound

0 引言

在高速微波等軍用器件中，厚金鍍層被廣泛應用（趨膚效應），金層厚度多是1μm以上。在焊接過程中，Au一般會被釬料合金完全溶解，更厚的Au層意味著需要消耗更多的Sn，導致出現焊料潤濕高度不足。當使用Sn62Pb36Ag2合金焊料進行陶瓷分立器件焊接時，并不能形成可靠的焊點。

In化學性質穩定，可塑性和延展性強，同時對于Au具有良好的兼容性。考慮到In也是一種低熔點金屬，其In-Pb合金焊料的熔點與Sn-Pb合金焊料熔點契合，滿足目前大多數焊接要求[1]。考慮到目前使用的Sn-Pb合金焊料為Sn62Pb36Ag2合金，熔點為179℃，選取使用與之熔點對應的In60Pb40合金進行焊接試驗。

1 樣品制作

制備In60Pb40合金焊料與Sn62Pb36Ag2合金焊料接點試樣，研究其焊接外觀、焊接強度及老化后（125℃@1000h）對金屬間化合物厚度及成分進行分析，試驗試樣為片式陶瓷電容器0805（2mm*1.2mm），電容器兩端電極鍍鎳、錫，實驗基板為陶瓷SIP基板，焊盤尺寸并不規則，焊盤鍍層電鍍鎳金，鎳層2.5μm以上，Au層1.3μm。焊料印刷網板厚度為1mm，回流工藝使用五溫區鏈式回流爐進行回流，內部氣氛為氮氣，回流曲線參數如圖1。

2 焊點外觀

回流后In60Pb40焊料相比于傳統Sn62Pb36Ag2焊料的焊點外觀光亮明顯，在元件兩側的潤濕高度更好，焊接并沒有被Au層影響，如圖2所示。

In60Pb40焊料在厚金的焊盤上并沒有完全沿金屬化區域繼續潤濕（如圖3），這表明In60Pb40焊料在回流過程中In與Au的反應并不優先，因此，在與金屬化區域潤濕的過程中，In60Pb40焊料并沒有被過度消耗；而Sn62Pb36Ag2焊料在金屬化區域潤濕的鋪展明顯，幾乎覆蓋所有可能潤濕的金屬化區域，同時因為Sn與Au反應速度過快，優先于Ni，焊料被大量消耗，導致了焊點的焊料堆積量較少，焊點毛糙，呈現齒狀溝壑紋路。

3 焊接強度

對回流后的樣品進行元件抗剪切試驗，測試剪切速度為0.5mm/s，測試兩種焊料的元件焊接強度。元件抗剪切強度測試后脫離模式都為元件被剪切掉，底座上殘留焊料及部分元件鍍層，見圖4。在經過125℃@1000h之后，其剪切脫離模式與此前相同（見圖5）。

In60Pb40合金焊料與Sn62Pb36Ag2合金焊料焊接的元件抗剪切力測試老化前平均值分別為4863.5g、4622.84g，老化后平均值分別為3148.34g、3032.43g。從測試結果看，In60Pb40合金焊料能夠達到Sn基合金焊料的焊接強度水平。

4 焊料合金與焊盤界面

在回流或老化過程中，焊盤表面的Au和Ni等金屬會與焊料合金中的主要合金元素反應生成金屬間化合物。在界面處生成一層薄、連續和均勻的金屬間化合物是焊料合金與焊盤金屬形成良好冶金連接的標志與保證，但由于金屬間化合物通常都是脆性物質，如果界面處金屬間化合物的過度生長會影響焊接點的可靠性。

金屬間化合物的生長是以原子擴散為主導機制。在濃度梯度的驅動下，焊料中的主要元素和焊盤Au原子沿著濃度梯度方向作定向擴散并發生固相反應促使金屬間化合物不斷生長[2]。

In60Pb40合金焊料回流后焊接界面形成連續較薄的IMC層，焊料與IMC層的界面較為粗糙，邊界分明，IMC層程扇貝狀凸起向焊料內部生長（見圖6）；EDX分析表明此時IMC層內主要成分為AuIn，少量Au擴散到焊料內部。125℃@1000h老化試驗后，IMC層生長變厚，焊料與IMC層的界面變得平坦（見圖7），此時IMC層演變為AuIn2化合物，焊料內部的Au相比于回流后增加較少，說明Au并沒有順著濃度梯度的方向向焊料內部大量擴散，IMC層形成的Au與In的合金化合物抑制了Au向焊料層的擴散。

比較In60Pb40合金焊料與Sn62Pb36Ag2合金焊料等效老化后IMC層的厚度（見圖8、9），In60Pb40合金焊料的IMC厚度要薄很多。國內研究表明，IMC層厚度越厚，焊料層與IMC層界面越平坦，焊接點的破壞模式會向IMC層內部的脆性斷裂轉變[3]。Sn62Pb36Ag2合金焊料層及IMC層中的成分表明，殘留的Au經過老化全部溶解，IMC層生長并演變為AuSn4化合物[4]，Au與Sn的化合物并沒有抑制Au的擴散。

兩者對比表明Au在向In60Pb40焊料內部的擴散速度比Sn62Pb36Ag2焊料慢，In對Au有較好的擴散抑制能力。

5 結語

本文通過使用In60Pb40合金焊料與傳統Sn62Pb36Ag2合金焊料在鍍金焊盤上的元件焊接實驗及對老化后IMC層進行成分分析進行對比，得出分立器件焊點Sn62Pb36Ag2合金焊料焊接不良的原因與In60Pb40合金焊料的焊接優勢。

本次研究表明，In60Pb40焊料對元件的潤濕更好，In不會被Au大量的消耗，能夠形成較好的焊點，解決焊點不良的問題。此外在老化前后In60Pb40焊料的IMC層生長厚度要比Sn62Pb36Ag2合金焊料薄得多，顯示出Au向In基焊料內部的擴散速度要比Sn基焊料慢，In對Au有較好的擴散抑制能力。

【參考文獻】

[1]INDIUM.The Value of InPb Solders[J].OnBoard Technology，2015-11：49-51.

[2]崔獻威.無鉛與錫鉛混裝結構顯微組織研究[J].沈陽航空航天大學，2013-11-25.

[3]劉雪華，唐電.Sn基焊料/Cu界面IMC形成機理的研究進展[J].電子元件與材料，2011-05-05.

[4]安彤.焊錫接點金屬間化合物（IMC）微結構演化與微觀-宏觀力學行為關系研究[D].北京工業大學，2014-06-01.