回流焊接過程中IMC的生長研究

摘 要：在電子封裝互連技術中，回流焊接過程是軟釬焊冶金過程，是焊點界面IMC產生和生長的初始過程。在焊接界面上IMC是一把雙刃劍，對器件焊點的質量有著關鍵性的影響，故其厚度及成分必須得到有效控制。鑒于此，通過實驗對比不同回流焊接參數下回流焊接后焊點焊接面IMC的厚度及成分，得到了采用Sn63Pb37錫膏裝焊的最佳回流焊接曲線參數，有利于嚴格控制IMC生長，提高裝聯焊點可靠性。

關鍵詞：回流焊接；IMC；峰值溫度；可靠性

中圖分類號：TN405；TG40" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）09-0078-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.09.019

0" " 引言

航空電子產品在追求高密度、高性能的同時，對可靠性的要求也在提高。焊點界面處的成分和微觀組織是決定其可靠性的關鍵因素，尤其是印制板焊盤和焊錫之間的化學反應、成分擴散產生的中間相——金屬間化合物（Intermetallic Compound，IMC）[1]。在電子封裝互連技術中，焊點進行冶金焊接必定需要基體焊盤與釬料發生界面反應產生IMC，然而焊點IMC是一把雙刃劍，應嚴格控制IMC的厚度及成分。IMC層的形成和生長變化與服役過程中各種復雜工況息息相關，有研究表明IMC的形成和生長是原子遷移造成的，即電遷移和熱遷移，足夠大的溫度梯度可以使熱遷移對IMC的影響占據主導地位[2-4]。Cu3Sn、Cu6Sn5的IMC電阻率分別為9、18 μΩ·cm[5]，焊點的阻值會隨著IMC層厚度的增加而升高。此外，也有研究表明多次回流焊接后，微觀組織形貌會產生明顯變化，即焊點組織粗化，晶粒減少，晶界合并，焊點界面處IMC層變厚，導致焊點強度下降[6]。通常在元器件裝焊過程中，IMC成分主要與回流峰值溫度和回流時間有關。回流焊接初期，在焊盤側就會產生有利于焊接可靠性的IMC（Cu6Sn5）。Cu6Sn5硬度高，潤濕性好，是焊料與焊盤連接的堅實橋梁。隨著回流時間的延長和回流溫度的升高，IMC生長消耗掉焊盤中的Cu原子和焊接界面的Sn原子，進而產生有害于焊接可靠性的IMC（Cu3Sn）。Cu3Sn本身硬而脆，潤濕性差，易發生脆性斷裂，將大幅降低焊點可靠性。本文通過對比在不同回流焊接參數下采用Sn63Pb37錫膏進行回流焊接后焊點IMC的形成和生長，分析IMC厚度及成分，探索回流焊接對焊點IMC生長的影響。

1" " 表面組裝技術流程

本樣件的制作采用表面組裝技術進行，流程如下：前期準備—印刷錫膏—SPI檢測—貼片機貼裝—自動光學檢查機（AOI）檢測—回流焊接—AOI檢測—X-RAY檢測。

1.1" " 實驗材料及方法

采用回流焊接的方法制作實驗樣件。本實驗選用了型號為XCF128XFT（G）64C的D存儲類器件，尺寸均為10 mm×17 mm，焊球尺寸為0.6 mm，引腳間距1.0 mm。按照標準要求制作測溫板進行測溫，然后采用測溫得到的回流焊接曲線進行樣件制作。首先采用絲網印刷機和鋼網將焊膏印刷至印制板焊盤上，然后將BGA貼裝至對應位置，進行回流焊接。其中錫膏為樂泰3號粉Sn63Pb37，印制板板材為FR-4，Tg=180 ℃。鋼網厚度為0.12 mm，開孔尺寸均比焊盤尺寸大10%。

為研究回流焊接時間、次數對焊點IMC的影響，樣件制作并檢驗合格后，灌封剖切，分別采用光學顯微鏡和掃描電鏡進行微觀組織分析、能譜分析和IMC厚度測量。為了保證測量結果的有效性，每種狀態下所有BGA焊點IMC厚度均進行測量，然后取平均值。

1.2" " 測溫板制作與溫度曲線測試

溫度曲線采用測溫儀、熱電偶組成的測量系統通過回流爐進行測量。

測量時，微型熱電偶探頭可用焊料、膠粘劑、高溫膠帶固定在測試點上。熱電偶附著的位置也要選擇，通常最好是將熱電偶尖附著在PCB焊盤和相應的元件引腳或者焊球之間[7]。

針對本次實驗板設計三組回流焊接對比實驗，如表1所示，探索回流焊接峰值溫度和回流時間對IMC的影響。本實驗共選取了3組實驗件，每組3塊，各組焊接狀態相同。每組第一塊作為測溫板，用于測量溫度是否符合要求，測溫板如圖1所示，測溫結果如圖2所示。

1.3" " 樣件制作

1.3.1" " 烘烤

焊接前對印制板和塑封器件進行烘烤去潮，避免在回流焊接時印制板出現白斑、鼓包、變形以及器件出現“爆米花”等現象。烘烤要求按照指導手冊進行，具體要求如表2所示。

1.3.2" " 錫膏印刷

鋼網設計根據器件指導手冊中要求進行，具體要求和本次實驗鋼網設計如表3所示。錫膏印刷前需要在室溫下回溫4 h后攪拌90 s方可使用，然后采用鋼網印刷機進行錫膏印刷。

1.3.3" " SPI檢測

在錫膏印刷結束后對錫膏的X/Y偏移、面積、體積、高度進行測量，合格后再進行貼裝。

1.3.4" " 表面貼裝

元器件表面貼裝均采用貼片機進行，貼裝完成后對元器件型號和方向進行AOI檢測，確保型號和方向正確。

1.3.5" " 回流焊接

本文所制作的樣件使用的是全熱風回流焊技術。它是通過重新融化錫膏焊料來形成焊點，在焊接過程中不再添加任何額外焊料的一種焊接方法。樣件制作選用的回流焊接曲線如表4所示。

1.3.6" " 焊后檢驗

焊接完成后，通過X光檢測來檢測焊點空洞率、橋連等缺陷，所有實驗板焊點無橋連，空洞率最大在11.7%，滿足行業標準“空洞率不超過25%”的要求，如圖3所示。

2" " 回流時間對IMC的影響

2.1" " 金相分析

圖4所示分別為1#、2#、3#實驗板的金相照片。從金相分析結果可知，三種實驗件出現空洞的焊球數量相差不大，約40個。但1#實驗件焊點最大空洞率不超過10%，2#實驗件焊點最大空洞率不超過15%，3#實驗件焊點最大空洞率不超過20%，說明回流焊接峰值溫度越高、時間越長，BGA焊點空洞越多、越大。空洞的數量和大小會直接影響BGA焊點的可靠性，故建議PBGA焊接選擇1#回流焊接曲線參數。

此外，IMC層的生長是通過合金元素的濃度梯度差引起的成分擴散來實現的。在焊接界面處IMC生長所需的錫原子由焊接界面處的焊錫提供，釬焊界面處剩余的鉛原子密度加大，大量Pb原子在界面處聚集，形成富Pb相，如圖4（c）所示。由于焊錫中Pb原子的半徑比Sn原子大，Pb原子具有2個電子，Sn原子具有4個電子，所以鉛原子在晶體中的擴散速率比錫原子更大[8-9]，因此富Pb相優先在焊接界面處聚集形成一層Pb相隔離層，該隔離層可抑制錫元素繼續向界面處擴散，即抑制焊點界面IMC層的生長。但鉛相塑性較好、IMC層比較脆，兩種截然相反的相直接接觸，會大幅度降低釬焊界面的連接強度，并容易在服役過程中周期性高低溫引起的剪切應力作用下產生晶界滑移，然后初始裂紋在Pb-IMC相的界面處形成，導致焊點開裂失效。

2.2" " 能譜分析

圖5所示為三種不同狀態樣件的IMC形貌及厚度。界面IMC厚度存在差異主要是回流焊接過程中焊接界面溫度的變化以及冷卻凝固特性的差異導致的[9]。從圖中可以看出，1#實驗板焊點IMC厚度最薄，2#次之，3#實驗板IMC最厚，這與回流焊接峰值溫度越高、時間越長，BGA焊點IMC厚度越厚的理論相吻合。

圖6所示為兩種不同狀態樣件的IMC能譜分析圖。由于固態的Cu與Cu6Sn5的狀態不穩定，因此在Cu6Sn5和Cu焊盤之間的界面處形成了Cu3Sn。

圖6（b）為3#曲線制作樣件的BGA焊點PCB側Cu焊盤-IMC層界面處高倍掃描電鏡能譜，由圖可以看出回流焊接峰值溫度245 ℃、回流時間超過122.83 s的BGA焊點PCB焊盤側檢測到微量Cu3Sn的存在，但是在同樣條件下回流焊接峰值溫度215 ℃、回流時間60～90 s的BGA焊點PCB側僅檢測到Cu6Sn5，沒有檢測到Cu3Sn。回流焊接初期，在焊盤側就會產生有利于焊接可靠性的扇貝狀Cu6Sn5。回流焊接峰值溫度過高、回流時間過長會產生熱驅動力，促進焊盤中的銅原子向IMC層（Cu6Sn5）中擴散，進而形成硬而脆的Cu3Sn。Cu6Sn5硬度高，潤濕性好，是焊料與焊盤連接的堅實橋梁。Cu3Sn與Cu6Sn5相比，不僅硬而脆，而且潤濕性不好，會導致釬焊界面的脆性增加，在服役過程中周期性高低溫引起的焊點塑性變形、剪切應力作用下IMC（Cu3Sn）-Cu焊盤會產生初始裂紋，后續隨著裂紋擴展，將發生脆性斷裂，大幅度縮短焊點壽命。此外，在原子層面，1個錫原子和3個銅原子形成Cu3Sn金屬間化合物后，體積減少了約8.8%，導致釬焊界面處產生了空洞，進一步降低了焊接界面結合強度，最終導致焊點容易失效[10]。

因此，在回流焊接過程中回流焊接峰值溫度和時間不宜過長，為避免IMC過度生長引起的Pb相偏聚、Cu3Sn形成以及焊接界面處柯肯達爾空洞等缺陷的產生，建議采用Sn63Pb37錫膏進行回流焊接時應將焊點的峰值溫度控制在（215±5）℃，回流時間控制在60～90 s。

3" " 回流焊接次數對IMC的影響

通過統計對比1-1實驗件和1-3實驗件金相照片，發現回流焊接次數對BGA焊點空洞的數量和大小影響較小。

圖7所示為1-1實驗件和1-3實驗件SEM照片，從圖中可知一次回流焊接BGA焊點器件側IMC最厚為3.56 μm，均值2.735 μm，印制板側IMC最厚為2.17 μm，均值為1.755 μm；三次回流焊接后BGA焊點器件側IMC最厚為6.79 μm，均值為2.864 μm，印制板側IMC最厚為3.51 μm，均值為4.697 μm。故多次回流焊接會導致焊點IMC增厚，進而大幅度降低焊點可靠性。

4" " 結束語

本文采用回流曲線測溫、金相實驗、能譜分析等手段，通過對比實驗分析了不同回流焊接參數對IMC形貌、厚度以及成分的影響，實驗結果表明，Sn63Pb37錫膏的最佳回流焊接工藝參數為焊點的峰值溫度控制在（215±5）℃，回流時間控制在60～90 s，此時IMC厚度、成分、強度均處于最優，焊點可靠性最好。

[參考文獻]

[1] GAIN A K，ZHANG L C，QUADIR M Z.Thermal agingeffects on microstructures and mechanical properties of anenvironmentally friendly eutectic tin-copper solder alloy[J].Materials amp; Design，2016，110：275-283.

[2] 趙寧，鐘毅，黃明亮，等.熱遷移對Cu/Sn/Cu焊點液-固界面Cu6Sn5生長動力學的影響[J].物理學報，2015，64（16）：348-357.

[3] 趙健.PCB組件熱—力分析的有限元模型及仿真[D].天津：天津大學，2006.

[4] WANG B，MO L P，WU F S，et al.Microstructureof solder joints with micro stand-off height in electronicpackaging[J].Transcrtions of the China WeldingInstitution，2011，32（12）：25-28.

[5] FREAR D R，BURCHETT S N，MORGAN H S，et al.The mechanics of solder alloy interconnects[M].New York：Van Nostrand Reinold，1994.

[6] 文惠東，林鵬榮，練濱浩，等.多次回流對不同成分Sn-Pb凸點IMC生長的影響[J].電子與封裝，2016，16（3）：4-8.

[7] 曹白楊.表面組裝技術基礎[M].北京：電子工業出版社，2012.

[8] KIM K K，GUPTA D，HO P S.Grain-boundary diffusionof Sn in Pb[J].Journal of Applies Physics，1982，53（5）：5672-5677.

[9] HUANG M L，ZHAO J F，ZHANG Z J，et al.Role of diffusionanisotropy in β-Sn in microstructural evolution of Sn-3.0Ag-0.5Cu flip chip bumps undergoing electromigration[J].Acta Materilia，2015，100：98-106.

[10] 周斌，李勛平，恩云飛，等.高溫時效下Sn/SnPb混裝焊點的微觀組織研究[J].華南理工大學學報（自然科學版），2016，44（5）：8-14.

收稿日期：2024-01-26

作者簡介：田鑫亮（1996—），男，陜西人，助理工程師，研究方向：機器人技術、工業視覺檢測技術、電子裝聯工藝。