厚金镀层上In60Pb40焊料焊接分立器件研究

张浩　杨晶

【摘 要】针对厚金镀层中使用Sn62Pb36Ag2合金焊料焊接分立器件容易出现焊点不良的问题，使用In60Pb40合金焊料进行厚金镀层的焊接实验。研究In60Pb40合金焊料焊接后的焊点外观、焊接强度，并对老化前后金属间化合物厚度及成分进行了分析。研究结果表明，铟-铅合金焊料的焊接外观比锡-铅共晶焊料更好，形成的IMC层对金在焊接层中的扩散具有很好的抑制作用。

【关键词】厚金镀层；In60Pb40合金；金属间化合物

中图分类号： TH87 文献标识码： A 文章编号： 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，厚金镀层被广泛应用（趋肤效应），金层厚度多是1μm以上。在焊接过程中，Au一般会被钎料合金完全溶解，更厚的Au层意味着需要消耗更多的Sn，导致出现焊料润湿高度不足。当使用Sn62Pb36Ag2合金焊料进行陶瓷分立器件焊接时，并不能形成可靠的焊点。

In化学性质稳定，可塑性和延展性强，同时对于Au具有良好的兼容性。考虑到In也是一种低熔点金属，其In-Pb合金焊料的熔点与Sn-Pb合金焊料熔点契合，满足目前大多数焊接要求[1]。考虑到目前使用的Sn-Pb合金焊料为Sn62Pb36Ag2合金，熔点为179℃，选取使用与之熔点对应的In60Pb40合金进行焊接试验。

1 样品制作

制备In60Pb40合金焊料与Sn62Pb36Ag2合金焊料接点试样，研究其焊接外观、焊接强度及老化后（125℃@1000h）对金属间化合物厚度及成分进行分析，试验试样为片式陶瓷电容器0805（2mm*1.2mm），电容器两端电极镀镍、锡，实验基板为陶瓷SIP基板，焊盘尺寸并不规则，焊盘镀层电镀镍金，镍层2.5μm以上，Au层1.3μm。焊料印刷网板厚度为1mm，回流工艺使用五温区链式回流炉进行回流，内部气氛为氮气，回流曲线参数如图1。

2 焊点外观

回流后In60Pb40焊料相比于传统Sn62Pb36Ag2焊料的焊点外观光亮明显，在元件两侧的润湿高度更好，焊接并没有被Au层影响，如图2所示。

In60Pb40焊料在厚金的焊盘上并没有完全沿金属化区域继续润湿（如图3），这表明In60Pb40焊料在回流过程中In与Au的反应并不优先，因此，在与金属化区域润湿的过程中，In60Pb40焊料并没有被过度消耗；而Sn62Pb36Ag2焊料在金属化区域润湿的铺展明显，几乎覆盖所有可能润湿的金属化区域，同时因为Sn与Au反应速度过快，优先于Ni，焊料被大量消耗，导致了焊点的焊料堆积量较少，焊点毛糙，呈现齿状沟壑纹路。

3 焊接强度

对回流后的样品进行元件抗剪切试验，测试剪切速度为0.5mm/s，测试两种焊料的元件焊接强度。元件抗剪切强度测试后脱离模式都为元件被剪切掉，底座上残留焊料及部分元件镀层，见图4。在经过125℃@1000h之后，其剪切脱离模式与此前相同（见图5）。

In60Pb40合金焊料与Sn62Pb36Ag2合金焊料焊接的元件抗剪切力测试老化前平均值分别为4863.5g、4622.84g，老化后平均值分别为3148.34g、3032.43g。从测试结果看，In60Pb40合金焊料能够达到Sn基合金焊料的焊接强度水平。

4 焊料合金与焊盘界面

在回流或老化过程中，焊盘表面的Au和Ni等金属会与焊料合金中的主要合金元素反应生成金属间化合物。在界面处生成一层薄、连续和均匀的金属间化合物是焊料合金与焊盘金属形成良好冶金连接的标志与保证，但由于金属间化合物通常都是脆性物质，如果界面处金属间化合物的过度生长会影响焊接点的可靠性。

金属间化合物的生长是以原子扩散为主导机制。在浓度梯度的驱动下，焊料中的主要元素和焊盘Au原子沿着浓度梯度方向作定向扩散并发生固相反应促使金属间化合物不断生长[2]。

In60Pb40合金焊料回流后焊接界面形成连续较薄的IMC层，焊料与IMC层的界面较为粗糙，边界分明，IMC层程扇贝状凸起向焊料内部生长（见图6）；EDX分析表明此时IMC层内主要成分为AuIn，少量Au扩散到焊料内部。125℃@1000h老化试验后，IMC层生长变厚，焊料与IMC层的界面变得平坦（见图7），此时IMC层演变为AuIn2化合物，焊料内部的Au相比于回流后增加较少，说明Au并没有顺着浓度梯度的方向向焊料内部大量扩散，IMC层形成的Au与In的合金化合物抑制了Au向焊料层的扩散。

比较In60Pb40合金焊料与Sn62Pb36Ag2合金焊料等效老化后IMC层的厚度（见图8、9），In60Pb40合金焊料的IMC厚度要薄很多。国内研究表明，IMC层厚度越厚，焊料层与IMC层界面越平坦，焊接点的破坏模式会向IMC层内部的脆性断裂转变[3]。Sn62Pb36Ag2合金焊料层及IMC层中的成分表明，残留的Au经过老化全部溶解，IMC層生长并演变为AuSn4化合物[4]，Au与Sn的化合物并没有抑制Au的扩散。

两者对比表明Au在向In60Pb40焊料内部的扩散速度比Sn62Pb36Ag2焊料慢，In对Au有较好的扩散抑制能力。

5 结语

本文通过使用In60Pb40合金焊料与传统Sn62Pb36Ag2合金焊料在镀金焊盘上的元件焊接实验及对老化后IMC层进行成分分析进行对比，得出分立器件焊点Sn62Pb36Ag2合金焊料焊接不良的原因与In60Pb40合金焊料的焊接优势。

本次研究表明，In60Pb40焊料对元件的润湿更好，In不会被Au大量的消耗，能够形成较好的焊点，解决焊点不良的问题。此外在老化前后In60Pb40焊料的IMC层生长厚度要比Sn62Pb36Ag2合金焊料薄得多，显示出Au向In基焊料内部的扩散速度要比Sn基焊料慢，In对Au有较好的扩散抑制能力。

【参考文献】

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

[2]崔献威.无铅与锡铅混装结构显微组织研究[J].沈阳航空航天大学，2013-11-25.

[3]刘雪华，唐电.Sn基焊料/Cu界面IMC形成机理的研究进展[J].电子元件与材料，2011-05-05.

[4]安彤.焊锡接点金属间化合物（IMC）微结构演化与微观-宏观力学行为关系研究[D].北京工业大学，2014-06-01.