第 12 期刘文胜, 等 : 钎焊工艺对 InAg 低温焊料结构及剪切性能的影响 3675 低和疲劳寿命长等优点 [2 3], 如 InAg 焊料在 LED 或热 感应传感器中具有非常重要的应用价值 Chen 等 [4] 采 用 DSC 研究了 InAg 焊料的熔化和固化特性 Reynolds 等

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1 第 42 卷第 12 期中南大学学报 ( 自然科学版 ) Vol.42 No 年 12 月 Journal of Central South University (Science and Technology) Dec 钎焊工艺对 InAg 低温焊料结构及剪切性能的影响 刘文胜, 黄国基, 马运柱, 彭芬, 崔鹏 ( 中南大学粉末冶金国家重点实验室, 湖南长沙,410083) 摘要 : 针对不同回流工艺曲线对 In3Ag 焊膏焊点表面形貌 界面 IMC(Intermetallic compound) 层和剪切强度的影 响进行研究 采用扫描电镜 (SEM) 和能量色散谱仪 (EDS) 分别对 IMC 层的微观结构和焊点的组织成分进行观察和 分析, 采用力学试验机测试焊点的剪切强度, 并通过 SEM 观察其断口形貌 研究结果表明 :IMC 层厚度随钎焊 曲线峰值温度升高而增加, 焊点剪切强度随峰值温度升高而降低, 断裂模式为韧性断裂 其合适的钎焊工艺为 峰值温度 160, 并在 150 保温 1 min, 可得到表面光亮 润湿性能好 助焊剂残留少的焊点, 其基体为富 In 相, 在基体上弥散分布着 AgIn 2 颗粒, IMC 层是均匀 致密的扇贝状结构, 厚度约为 3 μm, 成分约为 (Ag 0.8 Cu 0.2 )In 2 ; 在此条件下, 焊点剪切强度最高, 为 7.24 MPa 关键词 :InAg; 焊料 ; 钎焊 ; 金属间化合物 ; 剪切性能 中图分类号 :TG425.1 文献标志码 :A 文章编号 : (2011) Influences of soldering process on structure and shear strength of InAg solder LIU Wen sheng, HUANG Guo ji, MA Yun zhu, PENG Fen, CUI Peng (State Key Laboratory for Powder Metallurgy, Central South University, Changsha , China) Abstract: The influences of different reflowing curves on In3Ag solder joint surface morphology, interfacial IMC(Intermetallic compound) layer and shear strength were studied. Scanning electricity microscope (SEM) and energy dispersive spectrometer (EDS) were used to observe and analyze the IMC layer microstructure and the composition of solder joint. Mechanical testing machine was used to test the shear strength of solder joint, and the shear fractography was measured by SEM. The results indicate that the IMC layer thickness increases and the solder joint shear strength decreases, with the increase of reflowing curve peak temperature; and the fracture mode is ductile fracture. The reflowing curve at 160 peak temperature and holding at 150 for 1 min is the appropriate soldering process. In this condition, the solder joint with shiny surface, good wettability, less solder flux residue is obtained, and the microstructure of solder joint consists of In rich phase with a fine dispersion of AgIn 2 particles. The IMC layer with a thickness of 3 μm and component of (Ag 0.8 Cu 0.2 )In 2 is uniform and dense scallop like structure. In this condition, the highest shear strength is 7.24 MPa. Key words: InAg; solder; reflowing; intermetallic compound; shear property 根据无铅焊料的应用要求及其特征, 可按照其熔 点高低分为 3 个体系 : 高温 (230~350 ) 焊料 中温 (180~230 ) 焊料和低温 (<180 ) 焊料 [1] 其中, 低 温焊料由于具有钎焊温度低 对元器件破坏小等优点, 在温度敏感元器件焊接和分步焊接中被广泛应用 In 基低温焊料与 Sn 基焊料相比, 具有润湿性好, 熔点 收稿日期 : ; 修回日期 : 基金项目 : 国家军工配套项目资助 (JPPT ) 通信作者 : 马运柱 (1975 ), 男, 河南驻马店人, 副教授, 从事电子材料 难熔金属材料的研究 ; 电话 : ;E mail:zhuzipm@csu.edu.cn

2 第 12 期刘文胜, 等 : 钎焊工艺对 InAg 低温焊料结构及剪切性能的影响 3675 低和疲劳寿命长等优点 [2 3], 如 InAg 焊料在 LED 或热 感应传感器中具有非常重要的应用价值 Chen 等 [4] 采 用 DSC 研究了 InAg 焊料的熔化和固化特性 Reynolds 等 [5] 对 InAg 共晶焊料焊点的蠕变性能进行了研究 Vianco 等 [6] 针对 97In 3Ag 低温焊料的压缩应力应变和 蠕变性能进行研究 而在回流钎焊过程中, 焊料与铜 板之间会发生界面反应生成 IMC, 根据已有研究结果 表明 [7 9],IMC 层对焊点可靠性和焊点缺陷萌生具有 重要的影响 所以,IMC 层的厚度和形貌可作为衡量 焊点性能及其可靠性的一个标准 而合适的钎焊工艺 曲线是 IMC 厚度生成和形貌调控的关键 但文献中对 InAg 焊料钎焊曲线的研究鲜有报道 本文作者研究回 流钎焊工艺曲线对 In Ag 焊料 IMC 层组织结构及其剪 切性能的影响 1 实验 1.1 原料 以铟锭 (99.995%) 和银锭 (99.95%) 熔炼成 In3Ag 母 合金, 并通过气雾化法制备 In3Ag 合金粉末 ; 助焊剂 为湖南金箭焊料有限公司生产 1.2 实验方法 用 SiC 砂纸打磨 25 mm 25 mm 0.5 mm( 长 宽 厚 ) 紫铜板, 再用无水乙醇清洗, 以去除其表面氧化 膜 将 In3Ag 合金粉末与助焊剂按质量比 8.5:1.5 配制 成焊膏 以手工印刷方式将焊膏通过直径为 6 mm 模 板印刷到紫铜板上, 采用不同钎焊曲线, 使用北京七 星天禹 TYR108N C 台式回流焊机进行钎焊 1.3 检测 使用数码相机对焊点拍照, 观察其表面形貌 将 铜板沿焊点中心纵向剪开, 将其冷镶成金相试样, 经 过打磨 抛光 清洗 吹干后, 使用 HCl+FeCl 3 饱和 溶液与无水乙醇按体积比 1:4 配制成腐蚀液腐蚀铜板, 用 35%HF+10%HNO 3 +55%H 2 O( 体积分数 ) 腐蚀液腐蚀 焊点截面 将腐蚀后试样, 采用日本电子株式会社 JSM 6360LV 型扫描电镜观察其截面 IMC 层形貌 剪切试验参照 JIS Z 无铅钎料试验方法 [10], 剪切试样示意图如图 1 所示, 材料为紫铜板, 采用搭 接方式钎焊, 使用美国 Instron3369 力学试验机测试焊 料剪切性能 P S 剪切强度由公式 τ = A 计算得出, 其中,P S 为最 大剪切载荷 ;A 为接合部实际测量面积 单位 :mm 图 1 剪切试样示意图 Fig.1 Schematic diagram shear specimens 2 结果与分析 2.1 钎焊曲线的设计理想回流钎焊曲线 [11] ( 如图 2 所示 ) 大致可分为 5 个阶段 : 预热区 活化区 回流区 液化区和冷却区 在预热区, 溶剂随温度的升高逐渐挥发 ; 在活化区, 助焊剂充分清洗基板及焊粉表面的氧化膜 ; 在回流区, 焊膏和基板温度提升到合金熔点, 部分焊粉熔化, 发生铺展 ; 液化区峰值温度直接影响到焊点的表面及其微观组织结构 ; 冷却区通常选用较快的冷却速度防止晶粒长大, 但冷却太快会引起内部热应力产生 图 2 理想回流曲线示意图 Fig.2 Ideal temperature curve of reflow soldering 根据 InAg 合金和助焊剂的特点, 本实验设计回流钎焊曲线如下 : 预热区曲线升温速度为 2 /s, 持续时间为 2 min; 活化区保温温度为 150, 保温时间为 1 min; 回流区升温速度为 1 /s; 液化区峰值温度分别为 160,170,180 和 190 ; 冷却区降温速度为 2 /s 图 3 所示为在钎焊过程中焊接机绘制的实际工艺曲线 从图 3 可以看出 : 在 150 保温段有轻微波动, 这是由于焊机控温存在误差引起的, 但基本符合预设曲线 In3Ag 合金熔点为 141, 回流焊钎焊温度通常高于熔点 20~50, 通过实验, 在峰值为 150 时, 无法完成钎焊, 所以实验设计最低峰值温度为 钎焊曲线对焊点表面和界面组织的影响图 4 所示为经不同钎焊曲线所得焊点表面形貌照

3 中南大学学报(自然科学版) 3676 (a) 160 (b) 170 (c) 180 (d) 190 图3 Fig.3 不同峰值温度实际钎焊曲线 Actual curves of reflow soldering at different temperatures (a) 160 (b) 170 (c) 180 (d) 190 图4 Fig.4 焊点表面形貌照片 Solder joint surface morphology photos 第 42 卷

4 第 12 期 刘文胜 等 钎焊工艺对 InAg 低温焊料结构及剪切性能的影响 3677 片 从图 4 可以看出 不同温度曲线所得试样形貌相 原子扩散速率增加 而且 IMC生长具有各向异性 IMC 似 铜板基本没有被腐蚀 助焊剂残留较少 说明助 晶粒在原来已形成的 IMC 层边缘继续生长 使得其呈 焊剂与焊粉质量配比合适 能很好地完成钎焊 4 条 团簇状分布 曲线所得焊点充分铺展于铜板上 成型为规则的圆形 通过 EDS 分析 图 5 中 4 个试样 IMC 成分如表 1 焊点较为饱满 表面光亮 周围无小锡珠出现 从图 所示 可见 4 个试样的成分均为(Ag Cu)In2 图 5(a) 4(d)可以看出 此时所得的焊点表面有小坑洞出现且 中 1 点的 Ag Cu 和 In 元素物质的量比为 焊点颜色轻微发黄 主要原因是此回流曲线峰值温度 成分约为(Ag0.8Cu0.2)In2 其余 3 点 IMC 物质的 过高 导致焊点表面发生了部分氧化 量比也基本相近 有研究表明 IMC 层的厚度生长动 图 5 所示为不同钎焊曲线所得焊点微观组织的 SEM 照片 从图 5 可以看出 在焊料基体上分布着颗 力学曲线呈抛物线状 其生长主要由扩散机制控制 且符合 Arrhenius 方程[12] 粒状的二次相颗粒 基体为富 In 相 二次相颗粒为 æ Q ö D = D0 exp ç è RT ø AgIn2 这种基体焊料中弥散分布的细小 IMC 会提高 (1) 焊料的蠕变性能和力学性能 也起到了增强基体强度 其中 D 为扩散系数 D0 为扩散常数 Q 为激活能 和硬度的效果 R 为气体常数 T 为热力学温度 从图 5 还可以看出 随着回流曲线峰值温度逐渐 在钎焊过程中 Cu 基板上的 Cu 原子会扩散到液 升高 IMC 层厚度不断增加 峰值温度为 态的 In3Ag 焊料中 而基体中的 In 原子也会反向扩散 和 180 的试样 IMC 层为致密的扇贝状结构 厚度 到 Cu 基板中 两者会发生反应形成 IMC 而 IMC 厚 均匀 为 3~8 μm 而峰值温度为 190 试样 IMC 层 度受原子扩散系数影响 D0 Q R 对于相同扩散体 较厚 约为 12 μm 晶粒也较粗大 IMC 层发生断裂 系均为常数 所以随着温度 T 升高 扩散系数 D 增大 呈团簇状 由此可得 随着峰值温度的增加 IMC 层 即在相同时间下 温度越高 原子扩散的量越大 反 晶粒不断长大 从连续的细晶粒层逐渐长大成粗大晶 应生成的 IMC 层厚度也越大 粒层 在凝固过程中由于铜基板与 IMC 层热膨胀系数 2.3 焊料合金剪切性能分析 不同 而引起大晶粒层发生断裂 而由于温度升高 图 6 所示为不同钎焊曲线所得焊料合金剪切试验 (a) 160 (b) 170 (c) 180 (d) 190 图5 焊点界面形貌 SEM 照片 Fig.5 SEM images of solder joint interface

5 3678 中南大学学报 ( 自然科学版 ) 第 42 卷 表 1 焊点 IMC 层的成分 ( 原子数分数 ) Table 1 Composition of solder joint IMC layer % 位置 Ag Cu In 强度 位移曲线 从图 6 可以看出 :InAg 合金焊料剪 切应力随钎焊峰值温度升高, 总体呈下降趋势 峰值 温度为 160 的钎焊曲线所得试样的剪切应力最大, 约为 7.24 MPa, 峰值温度为 170 和 180 所得试样 的剪切应力相当, 分别为 6.29 和 6.52 MPa, 而 190 曲线所得试样的剪切应力急剧下降, 只有 4.32 MPa 左右 图 7 所示为峰值温度为 160 时试样剪切断口 形貌 SEM 照片, 从图 7 可以看出 : 断口存在大量的 韧窝, 而且还有明显的剪切滑移带存在, 表明 In3Ag 合金剪切断裂方式为韧性断裂, 这与文献 [13] 中提到 的 InAg 合金断裂方式一致 ;2 170 ;3 180 ;4 190 图 6 焊料剪切试验强度 位移曲线 Fig.6 Strength displacement curves of solder shear test 从图 5 可以看出 : 峰值温度分别为 160,170 和 个试样 IMC 层都较致密, 但 170 和 180 试样 IMC 厚度较大, 使得两者剪切性能较 160 试样 有所下降 而 190 试样由于峰值温度最高, 其 IMC 层的厚度是 4 个试样中最大的,IMC 层形貌由 160, 170 和 180 试样致密的扇贝状细晶粒长大成粗大的 团簇状晶粒结构, 使得其剪切性能急剧下降 虽然 IMC 熔点高 强度高, 有助于提高焊点强度, 但是由于 IMC 晶体结构对称性低, 脆性大, 粗大的 IMC 结构会降低 焊料界面结合强度, 并会在 IMC 层与焊料基体接触界 面上萌生损伤, 并导致破坏 [14] 如果 IMC 层过厚, 在 焊点受剪切应力过程中, 粗大且断裂的 IMC 层会降低 焊点剪切性能 因此, 致密均匀且厚度小的 IMC 层, 可提高焊料合金的剪切性能 3 结论 (1) 峰值温度为 160 的钎焊曲线所得焊点表面 较好, 焊点表面光亮, 助焊剂残留少 ; 而峰值温度为 190 的曲线所得试样由于峰值温度过高, 其焊点表 面出现较严重的氧化现象 (2) In3Ag 焊料基体为富 In 相, 在基体上弥散分 布着颗粒状的 AgIn 2 IMC 层成分为 (Ag 0.8 Cu 0.2 )In 2 ; IMC 层的生长主要受扩散控制, 其厚度随钎焊曲线峰 值温度升高而增加 峰值温度为 160,170 和 180 的 试样的 IMC 层为致密的扇贝状结构, 厚度均匀, 为 3~8 μm; 而 190 试样的 IMC 层为团簇状, 且厚度为 12 μm (3) 焊料合金剪切强度随钎焊曲线峰值温度增加 而降低, 断裂形式为韧性断裂 峰值温度 160 钎焊 曲线所得试样的剪切强度最高, 为 7.24 MPa, 峰值温 度 190 钎焊曲线所得试样的剪切强度最低, 为 4.32 MPa 参考文献 : 图 所得试样剪切断口 SEM 照片 Fig.7 SEM image of solder shear fractography at 160 [1] 徐骏, 胡强, 林刚, 等. Sn Bi 系列低温无铅焊料及其发展趋势 [J]. 电子工艺技术, 2009, 30(1): 1 4. XU Jun, HU Qiang, LIN Gang, et al. Low temperature lead free solder and its developing tendency[j]. Electronics Process Technology, 2009, 30(1): 1 4. [2] Lau J H, Wong C P, Lee N C, et al. Electronics manufacturing with lead free, halogen free, and conductive adhesive materials[m]. New York: Mc Graw Hill, 2003: [3] Glazer J. Metallurgy of low temperature Pb free solders for

6 第 12 期刘文胜, 等 : 钎焊工艺对 InAg 低温焊料结构及剪切性能的影响 3679 electronic assembly[j]. International Materials Reviews, 1995, 40(2): [4] Chen S W, Lin C C, Chen C M. Determination of the melting and solidification characteristics of solders using differential scanning calorimetry[j]. Metallurgical and Materials Transactions A, 1998, 29(7): [5] Reynolds H L, Kang S H, Morris J W, et al. The creep behavior of In Ag eutectic solder joints[j]. Journal of Electronic Materials, 1999, 28(1): [6] Vianco P T, Rejent J A, Fossum A F, et al. Compression stress strain and creep properties of the 52In 48Sn and 97In 3Ag low temperature Pb free solders[j]. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2007, 18(1/2/3): [7] 李晓延, 严永长, 史耀武. 金属间化合物对 SnAgCu/Cu 界面 破坏行为的影响 [J]. 机械强度, 2005, 27(5): LI Xiao yan, YAN Yong chang, SHI Yao wu. Influence of IMC on the interface failure of tin silver copper solder joints[j]. Journal of Mechanical Strength, 2005, 27(5): [8] Li G Y, Chen B L. Formation and growth kinetics of interfacial intermetallics in Pb free solder joint[j]. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 2003, 26(3): [9] Yoon J W, Lee Y H, Kim D G. Intermetallic compound layer growth at the interface between Sn Cu Ni solder and Cu substrate[j]. Journal of Alloys and Compounds, 2004, 381: [10] 王春青, 李明雨, 田艳红, 等. JIS Z 3198 无铅钎料试验方法 简介与评述 [J]. 电子工艺技术, 2004, 25(2): WANG Chun qing, LI Ming yu, TIAN Yan hong, et al. Review of JIS Z 3198: Test method for lead free solders[j]. Electronics Process Technology, 2004, 25(2): [11] 刘宏斌. Sn Ag Cu 系无铅焊锡膏组成优化及性能研究 [D]. 西 安 : 西安理工大学材料科学与工程学院, 2008: LIU Hong bing. The improvement and performance analysis of Sn Ag Cu lead free solder paste[d]. Xi an: Xi an University of Technology. School of Materials Science and Technology, 2008: [12] Liu Y M, Chuang T H. Interfacial reactions between In10Ag solders and Ag substrates[j]. Journal of Electronic Materials, 2000, 29(11): [13] Chuang T H, Jain C C, Wang S S. Intermetallic compounds formed in In 3Ag solder BGA packages with ENIG and ImAg surface finishes[j]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2009, 18(8): [14] 刘琼, 卢斌, 栗慧, 等. 添加 0.1% Ce 对 Sn 3.0Ag 0.5Cu 焊 料与铜基板间的金属间化合物的影响 [J]. 中国稀土学报, 2007, 25(6): LIU Qiong, LU Bin, LI Hui, et al. Effect of Adding 0.1%Ce into Sn 3.0Ag 0.5Cu solder alloy on its microstructure and intermetallic compounds with Cu substrate[j]. Journal of the Chinese Rare Earth Society, 2007, 25(6): ( 编辑赵俊 )

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