共晶金錫焊料焊接的處理和可靠性問(wèn)題
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- 共晶金錫焊料焊接的處理和可靠性問(wèn)題因?yàn)閭鹘y(tǒng)鉛錫焊料和無(wú)鉛焊料強(qiáng)度不足、砍蠕變能力差以及其他的本身缺陷，共晶金錫焊料已經(jīng)替代它們廣泛用于高可靠和高功率電路中，包括使用在混合電路、MEM、光電開(kāi)關(guān)、LEDs、激光二極管和無(wú)線電裝置。金錫焊料焊接中可以避免使用組焊劑，尤其可以減少污染和焊盤(pán)的腐蝕。雖然使用金錫焊料有很多優(yōu)點(diǎn)，但材料的性能和焊接工藝工程仍需研究。
前言：由于共晶金錫焊料具有優(yōu)良的機(jī)械和熱傳導(dǎo)性能 （特別是強(qiáng)度和抗蠕變性）以及不需組焊劑可以很好的再流的特性，共晶AuSn被廣泛應(yīng)用于高溫和高可靠性的電路中。與之對(duì)比其他無(wú)鉛和傳統(tǒng)的鉛錫共晶焊料卻有著大量的問(wèn)題：
焊接時(shí)需要的組焊劑造成了焊接焊盤(pán)的腐蝕，同時(shí)殘雜也會(huì)危害EMES、光電電路和密封封裝（組焊劑一般在密封電路中被禁止使用）。
在光學(xué)電路中焊料的過(guò)度蠕變或應(yīng)力松弛的積累會(huì)導(dǎo)致陣列的退化。
低強(qiáng)度
低熱傳導(dǎo)率（盡管這個(gè)問(wèn)題被夸大了，事實(shí)上熱傳導(dǎo)率還需要考慮大焊接焊料的厚度）
共晶金錫焊料已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用：如MEMS光開(kāi)關(guān)等微電子和光電子學(xué)中使用的倒裝芯片；光纖附件; GaAs和InP激光二極管 ;密封包裝;和射頻器件等。
AuSn的焊接已證明可靠性可以達(dá)到30多年，是因?yàn)槠浜附又性倭鬟^(guò)程可以產(chǎn)生重復(fù)、無(wú)空洞以及無(wú)缺陷的焊接。本文回答了很多公司關(guān)于焊接設(shè)計(jì)、焊接材料組合以及再流焊技術(shù)發(fā)展等問(wèn)題。
相圖
我們可以從金錫焊料的二元相圖去認(rèn)識(shí)很多共晶金錫焊料焊接的關(guān)鍵問(wèn)題，如圖1所示，焊料中富金時(shí)，液相線下降非常迅速，在常溫下有大量的“線性”化合物。
當(dāng)使用金錫焊料焊接鍍金層時(shí)，焊接溫度必須超過(guò)280攝氏度，因?yàn)橹挥羞_(dá)到這個(gè)焊接問(wèn)題，鍍層里的金元素才可以擴(kuò)散或融入到焊料中。這樣可以產(chǎn)生兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：在這個(gè)溫度下第二次再流不會(huì)損壞到焊料；更高的溫度也可以產(chǎn)生更大的抗蠕變性。然而，焊接后中間的焊料很難再次起到焊接作用，因?yàn)榧词箖蓚�(gè)焊接界面可以分開(kāi)，殘留下焊接時(shí)形成的金屬間化合物都會(huì)阻止再流。而且，焊接中的“凝固” 現(xiàn)象也會(huì)使浸濕不充分導(dǎo)致焊接不完全而使強(qiáng)度下降。
這些缺點(diǎn)可以通過(guò)增加焊料中錫成分成為富錫焊料，這樣，共晶成分中金完全平均分散的。但在使用金錫焊膏時(shí)候，這種方法也是有一定缺陷的，因?yàn)楹父嗟某煞质强勺兊�，這也是為什么使用蒸發(fā)、濺射或電鍍方法來(lái)沉積焊膏。
對(duì)于共晶焊接，我們應(yīng)該關(guān)注冷卻時(shí)如下的過(guò)程：L → ξ+ δ → ξ’ + δ，一般來(lái)說(shuō)，焊接后ξ和ξ’構(gòu)成了焊接的主要組成，其中ξ’是焊接后形成的金屬間化合物。
焊接后，我們期盼構(gòu)成η, ε,δ和ξ’的連續(xù)的界面。一般來(lái)說(shuō)，瞬間液相（TLP）連接使用的更多而不是共晶連接。瞬間液相（TLP）連接的優(yōu)點(diǎn)的是連接溫度處于Sn液相點(diǎn)和共晶液相間之間。但是，此種焊接時(shí)加熱時(shí)間和冷卻時(shí)間都需要更長(zhǎng)，而且如果在這個(gè)過(guò)程里反應(yīng)沒(méi)有完全，則以后長(zhǎng)時(shí)間里微結(jié)構(gòu)的演變都會(huì)繼續(xù)。通過(guò)多層薄的焊料可以減少這些缺陷，因?yàn)楸涌梢詼p少擴(kuò)散距離，也減少產(chǎn)生金屬間化合物的時(shí)間。
這個(gè)相圖有利于我們認(rèn)識(shí)焊料的機(jī)械性能。錫富一方形成的金屬間化合物方圖是“線”形化合物，具有極其有限的溶解度。這些化合物一般有著高強(qiáng)度和良好的抗蠕變性，但展延性減少。
但在下文中我們將討論到，具備中等延性和優(yōu)良的抗蠕變性的金錫焊料形成的金屬間化合物卻遠(yuǎn)比CuSn化合物有更好的展延性。...
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