《Advanced Engineering Materials》：Au/Pd(P)/Ni(P)表面精加工印刷電路板上Sn-3.0Ag-0.5Cu球柵陣列元件的強(qiáng)脈沖光焊接及其跌落沖擊可靠性

文獻(xiàn)摘要：

研究了強(qiáng)脈沖光(IPL)焊接作為傳統(tǒng)回流焊接的替代焊接工藝。IPL焊接因其低功耗而適合實(shí)現(xiàn)碳中和社會(huì)。此外，它在電子器件制造中具有多種優(yōu)勢(shì)，包括熱損傷低、加工時(shí)間短、適用于大面積工藝。在此，化學(xué)鍍鎳/化學(xué)鍍鈀/浸金表面處理和使用Sn–3.0Ag–0.5Cu焊料。焊接過(guò)程中考慮三個(gè)IPL參數(shù)：脈沖寬度、脈沖數(shù)量和頻率。使用配備電子探針顯微分析儀的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察界面和焊料基體的微觀結(jié)構(gòu)。此外，還進(jìn)行了板級(jí)跌落沖擊測(cè)試，以研究接頭的機(jī)械可靠性。結(jié)果表明，金屬間化合物（IMC）的成分和形貌隨IPL參數(shù)的變化而變化，從而顯著影響可靠性。具體而言，與回流焊相比，在最佳IPL條件下，跌落失效次數(shù)增加了6.7倍。這是因?yàn)榱鸭y通過(guò)焊料基體和不連續(xù)的IMC傳播。根據(jù)所獲得的結(jié)果，基于IPL的焊接是回流焊接的一種有前途的替代方案。

文獻(xiàn)介紹：

微電子封裝行業(yè)不斷發(fā)展，包括細(xì)間距技術(shù)、高I/O密度和封裝尺寸的小型化。因此，電子器件在外部負(fù)載條件下發(fā)生故障的可能性，例如隨著機(jī)械、熱機(jī)械、電氣和熱影響的增加。因此，需要解決電子封裝可靠性問(wèn)題的技術(shù)。

回流焊是一種傳統(tǒng)的焊接方法，利用熱空氣對(duì)流使用紅外加熱器作為熱源。由于其在組裝表面貼裝器件方面的有效性，它是微電子工業(yè)中采用最廣泛的方法。然而，基于對(duì)流加熱的焊接方法需要相對(duì)較長(zhǎng)的工藝時(shí)間，因?yàn)榻宇^溫度需要相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間才能飽和到峰值水平。因此，控制界面反應(yīng)是具有挑戰(zhàn)性的，需要回流焊的替代技術(shù)來(lái)提高粘合可靠性。強(qiáng)脈沖光(IPL)是由氙氣閃光燈系統(tǒng)產(chǎn)生的具有寬波長(zhǎng)范圍的脈沖電磁波。靶材料吸收的IPL能量通過(guò)光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)轉(zhuǎn)化為熱能。IPL能量在制造電子器件方面具有熱損傷小、加工時(shí)間短、適用于大面積工藝、生態(tài)友好等優(yōu)點(diǎn)。由于這些優(yōu)點(diǎn)，IPL焊接比激光焊接更受青睞，激光焊接是另一種候選技術(shù)。此前，大多數(shù)研究主要集中在印刷電子產(chǎn)品上，而只有少數(shù)關(guān)于IPL焊接和所得焊點(diǎn)可靠性的研究被報(bào)道。在此，我們研究了IPL焊接作為回流焊接的替代技術(shù)。 我們使用Sn-3.0Ag-0.5Cu無(wú)鉛焊料(SAC305)和通過(guò)IPL焊接進(jìn)行化學(xué)鍍鎳/化學(xué)鍍鈀/浸金(ENEPIG)表面處理的PCB形成焊點(diǎn)。與有機(jī)可焊性防腐劑和化學(xué)鍍鎳/浸金(ENIG)表面處理相比，ENEPIG表面處理有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，Au和Pd層可防止電極氧化并增強(qiáng)潤(rùn)濕性。其次，由于插入的Pd層可以減少Au層的厚度，因此降低了生產(chǎn)成本。第三，Pd層可保護(hù)Ni原子在浸鍍Au過(guò)程中不被Au原子取代，從而導(dǎo)致電偶過(guò)度腐蝕（黑墊）。然而，在ENEPIG表面上進(jìn)行回流焊接后，會(huì)形成脆性界面層，類似于在ENIG表面上焊接的情況。不僅可以有IMCs（Cu6Sn5、Ni3Sn4等），還可以有Ni-(Sn)-P層（Ni3P、Ni2P、Ni2SnP等）。在這項(xiàng)研究中，我們使用IPL焊接成功控制了SAC305焊料和ENEPIG表面光潔度之間的界面反應(yīng)。此外，我們研究了界面反應(yīng)層的形成和粘合可靠性。

文獻(xiàn)中光子燒結(jié)部分：

圖1顯示了IPL焊接接頭的示意圖。焊接過(guò)程結(jié)束后形成了界面反應(yīng)層。界面反應(yīng)層的詳細(xì)示意圖將在后面展示。

焊接接頭的橫截面顯微圖如圖2所示。每種IPL條件的溫度分布圖也顯示在圖S1，支持信息中。焊點(diǎn)的整體形狀如圖2a-e 所示，f-j顯示了每個(gè)焊點(diǎn)底部的界面微觀結(jié)構(gòu)。IMC的形貌隨IPL條件，特別是輸入能量的不同而變化。在低IPL能量(299.1J/cm²)下，獲得了連續(xù)的薄層IMC結(jié)構(gòu)(圖2f,i)。然而，在高IPL能量(359.1J/cm²)的界面結(jié)構(gòu)中，不連續(xù)的多邊形型IMC占主導(dǎo)地位(圖2g,h)?；亓骱感纬傻慕宇^的界面結(jié)構(gòu)與IPL接頭的界面結(jié)構(gòu)不同（圖2j）。IMC是連續(xù)的，并顯示出兩種類型的形態(tài)：多邊形和針狀類型。此外，Ni(P)層和IMC之間還形成了另一個(gè)薄層，這在其他條件下很少觀察到。該層是ENIG（或ENEPIG）焊點(diǎn)的典型結(jié)構(gòu)，推斷為Ni-(Sn)-P層。Ni-(Sn)-P化合物有多種（例如Ni2P、Ni3P、Ni12P5和Ni2SnP）；在本文中，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們將它們?nèi)糠Q為Ni-(Sn)-P。

圖5顯示了通過(guò)模切試驗(yàn)獲得的每個(gè)焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度。焊料基體的微觀結(jié)構(gòu)比界面反應(yīng)層的微觀結(jié)構(gòu)更重要，因?yàn)橛捎诘蛻?yīng)變率沖擊而導(dǎo)致的斷裂發(fā)生在基體內(nèi)部。此外，低能IPL條件下形成的接頭表現(xiàn)出較低的強(qiáng)度。這是因?yàn)楹苌傩纬烧T發(fā)析出硬化的細(xì)小AgSn₃析出物。當(dāng)塑性變形發(fā)生時(shí)，硬析出物作為位錯(cuò)的釘住位點(diǎn)(Orowan機(jī)制)。然而，在本文中，由于沉淀不足，分散的AgSn的體積分?jǐn)?shù)受到限制，導(dǎo)致接頭的強(qiáng)度相對(duì)較低。在高能IPL和回流條件下，細(xì)小的AgSn析出物在焊點(diǎn)中分布良好。Orowan應(yīng)力，即位錯(cuò)跨越非共格硬析出相所需的應(yīng)力，與顆粒間距成反比。隨著細(xì)AgSn析出相在接頭中形成的增多，間距減小，Orowan應(yīng)力增大。因此，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到抑制，提高了接頭的強(qiáng)度。

文獻(xiàn)結(jié)論：

在這項(xiàng)研究中，我們研究了IPL焊接點(diǎn)的界面反應(yīng)及其跌落沖擊可靠性。使用IPL能量成功形成堅(jiān)固的焊點(diǎn)。根據(jù)FESEM和EPMA分析，反應(yīng)產(chǎn)物的種類和形貌隨輸入能量的變化而變化。采用低能IPL，由于Au和Pd(P)層不完全溶解，在界面處形成了薄層(Pd,Au)Sn₄IMC。純銀保留在焊料基體中，表明Ag₃Sn沉淀不足。隨著輸入能量的增加，(Pd,Au)Sn₄IMCs溶解在熔融焊料中后觀察到不連續(xù)的(Cu,Ni,Pd,Au)₆Sn₅IMCs。還觀察到典型的β-Sn和Ag₃Sn網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為了研究輸入能量對(duì)界面微觀結(jié)構(gòu)和相應(yīng)可靠性的影響，我們?cè)黾恿撕附用}沖數(shù)。在界面處形成包含(Cu,Ni,Pd,Au)₆Sn₅和(Ni,Cu,Pd,Au)₃Sn₄的連續(xù)IMC。正如板級(jí)跌落沖擊測(cè)試所示，由于焊點(diǎn)脆性，它們降低了焊點(diǎn)的可靠性。在用最小IPL能量(n=30)形成的接頭中，裂紋沿著脆性(Pd,Au)Sn₄IMC傳播。形成不連續(xù)的IMC后，裂紋通過(guò)焊料基質(zhì)和IMC傳播。隨著脈沖數(shù)量（或輸入能量）的增加，裂紋通過(guò)連續(xù)的脆性IMC傳播，從而減少了跌落失敗的次數(shù)。總之，通過(guò)IPL焊接成功地控制了焊點(diǎn)的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械可靠性。因此，IPL焊接是回流焊的一種有前途的替代方案

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adem.202201635

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