温度对金锡合金焊料共晶形貌影响机制研究

刘洪涛

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110000）

1 引 言

AuSn20 被称为金锡合金或金锡共晶，是一种常见的无铅焊料。当Au 和Sn 的质量分数分别为80%和20%时，在278℃的较低温度下即可完成共晶反应，不需要助焊剂。这种焊料导热率和剪切强度很高，在电子封装中常用作芯片的焊接材料；又以其较高的稳定性、耐腐蚀性和润湿性，在高可靠气密封装中应用广泛［1-2］。在实际应用中，管壳、盖板多采用金元素作为镀层，镀金层在焊接过程中向焊料中熔解，造成局部金锡比例失配。同时，由于温度、压力等重要工艺参数的影响，往往反应会偏离共晶点，得到不理想的焊接状态，导致焊接强度的降低和可靠性下降［4-8］。

在此以CQFP240 陶瓷外壳作为研究对象，采用50μm 厚度AuSn20 焊料环，基于烧结工艺，研究密封过程中温度对焊接形貌的影响。设定不同峰值温度，通过扫描焊接样品的截面，观察界面化合物状态和分布，研究密封过程中工艺参数对封焊区微观形貌的影响，进而得到界面状态随峰值温度变化的一般规律。

2 试验条件及要求

图1 显示了CQPF240 陶瓷外壳的结构图。密封区为方环形，内侧边长20.6±0.25 mm，外侧边长24.4±0.25mm，转角处倒角半径0.42 mm。密封区基材是Al2O2陶瓷，镀层为Ni-Au-Ni-Au 复合结构，其中镍层厚度1.2～8.9 μm，金层厚度1 μm。焊料成分为AuSn20 金锡合金。盖板基材是Fe-Co-Ni 的可伐合金，镀层为Ni-Au-Ni-Au 复合结构，其中金层的厚度0.6μm，镀镍层的厚度为5μm。

图1 CQPF240 陶瓷外壳

采用VOL180 烧结炉为试验设备，通过调整烧结峰值温度，制备多组样品。样品编号为#1～#4，以烧结的峰值温度为变量，分别对应210 ℃、220 ℃、250℃、270℃，如图2 所示。

图2 烧结峰值温度设定

该组样品保持焊接压力为7.5N，峰值温度保持时间8 min。样品在烧结预热过程中（t0时间段之前），开启真空泵，进行2 次抽真空循环，以去除炉体中的空气，并充以纯度99.99%以上的高纯氮气为焊接气氛。

将烧结好的样品用树脂进行镶嵌，以如图2 所示的观察截面为目标位置，依次采用100 目、200目、400 目、1000 目、2000 目砂子进行研磨。研磨到目标焊接区域后，进行抛光并喷碳以增加导电性。采用SEM 分析方法，得到焊接界面形貌图，结合能谱分析，探测焊接界面的元素成分。

图3 目标观察截面选取位置示意图

3 焊缝形貌观察

样品处理完成后，通过扫描电子显微镜观察焊接界面的形态，然后进行分析。首先, 以峰值温度220℃的典型样品为例，通过扫描电子显微镜观察到的焊料界面形态如图4 所示。从图中可以看出，盖板与焊料之间已经良好结合，盖板镀Ni 层与焊缝形成了清晰的界面。

图4 焊缝SEM 形貌及成分

焊缝中存在深灰色化合物，通过能谱分析，测得各种元素的种类及所占百分比，如表1 所示。由分析可知，深灰色物质由Ni、Sn、Au 三种物质组成，其原子百分比分别为24.22%、42.87%、22.90%。其中，Ni元素来自于盖板的镀Ni 层中，说明镀层成分已经向焊缝中扩散并形成了三元化合物。

表1 焊缝元素成分及占比

另一方面，焊缝与管壳结合的界面处，则生成了较为明显两层化合物。首先，是层状化合物从镀Ni层上生长出来。在层状化合物外，又出现树枝晶状化合物，向焊缝内生长，如图5 所示。

图5 焊缝及母材之间的树枝晶

测量新形成的焊缝宽度，为22.81 μm，相比于AuSn20 焊料环初始厚度的50μm，已有一定程度的减少。

4 温度影响研究

4.1 焊缝厚度

设置不同的峰值温度，发生共晶反应，使焊料熔化并完成封装。图6 分别给出了210°C、220°C、250°C 和270°C 温度下的焊缝微观形貌。从图中可以看出，温度对焊接界面的形态产生了显著影响。

图6 焊缝微观形貌图

随着温度升高，焊缝厚度趋于增加，变化曲线如图7 所示。可见，在210°C、220°C、250°C 时，焊缝厚度小于焊料初始厚度。当峰值温度为210℃时，良好的焊缝已经形成，其厚度为19.64μm。峰值温度升高到220℃、220℃时，焊缝厚度略有增加。在210℃～220℃中，焊缝厚度略有波动，但总体水平相近。产生波动的主要原因据分析应为：不同外壳、盖板、焊料环样品之间存在差异；焊缝中存在空洞，引起焊缝厚度的波动；共晶过程中对管壳、盖板施加的焊接压力及施加位置存在差异。

图7 焊缝宽度

当峰值温度达到270°C 时，焊缝厚度大于初始焊缝宽度。这说明，峰值温度高于250°C 时，焊缝中必然存在大量的气泡，固化后将形成空洞，对焊接可靠性造成致命影响。因此，为降低未来的空洞率，应选取可形成较窄焊缝的工艺温度。

4.2 镀层Ni 元素扩散距离

Ni 元素来源是管壳、盖板的镀层，其作用是保护管壳、盖板母材，并增加镀金层的连接性。由成分探测分析可知，Ni 元素已经向焊缝中扩散并形成了三元化合物。Ni 元素扩散距离随峰值温度的变化如图8 所示。

图8 Ni 元素向焊缝中心的扩散

当峰值温度为210 ℃时，Ni 元素离开镀层向焊缝中扩散的最大距离占焊缝宽度的12%。随着峰值温度的升高，Ni 元素向焊料中扩散的距离进一步增加。在210℃时，Ni 元素扩散到19%；250℃时，扩散距离增大到61%。在270℃时，整个焊缝区域都能探测到Ni 元素。由此可见，峰值温度对Ni 元素的扩散作用有显著的影响。由于金和锡可以形成良好的共晶界面，当有镍元素参与时，反应不确定性增加，因此应避免Ni 元素的过度扩散。

4.3 界面化合物和树枝晶厚度

除上述影响外，峰值温度的升高还会造成层状化合物（IMC 层）的厚度明显增加，从0.97 μm 生长到2.99μm，且树枝晶向焊缝内的生长也更为明显，从0.26μm 提高到了4.71μm。具体变化情况如图9所示。

图9 界面化合物和树枝晶厚度

由图可见，随着温度升高，IMC 和枝晶厚度明显增加。可知初始的IMC 不应太厚，因为时效会使其保持增长，这会导致强度逐渐降低。同时，树枝晶易碎并且容易断裂，树枝晶的生长会使得焊缝的强度下降。因此，有必要通过控制峰值温度来控制IMC和枝晶的厚度。

5 结 束 语

在金锡焊料熔封过程中，温度是影响共晶界面形貌最为重要的因素。通过设定不同峰值温度，扫描焊接样品截面并观察界面化合物状态和分布，研究了密封过程中工艺参数对封焊区微观形貌的影响。得到焊缝厚度、树枝晶化合物厚度、Ni 元素扩散距离等界面状态随峰值温度变化的趋势。在保证良好焊接状态的前提下，峰值温度越低，焊缝的可靠性越高，当峰值温度超过250℃时，形成的气密封装结构极不可靠，在实际工艺操作中应尽力避免。