SAC305焊料的潤濕性

引言

電子器件封裝后，焊料合金和襯底材料形成的冶金連接為其提供了必不可少的導電、導熱和機械連接，因此焊料合金的焊接性能直接決定著焊點可靠性，甚至是整個電子設備的服役壽命。其中，焊料合金和襯底材料之間良好的潤濕是確保焊點可靠連接的前提條件。在焊料無鉛化和電子芯片微型化的進程中，人們正在尋找可以替代SnPb共晶的焊料，目前常用的是Sn3Ag0.5Cu（SAC305）焊料合金。但SAC305焊料相比SnPb焊料，仍然有以下兩點不足：

1. 由于無鉛焊料的潤濕性比SnPb共晶焊料差，因此在釬焊過程中可能會出現焊料的潤濕性能不能滿足要求、焊料的自校準能力差及焊點可靠性不達標等問題。
2. SAC焊料的熔點（大約490K）高于傳統的SnPb焊料合金（456K），這將導致回流焊或波峰焊過程中焊接溫度的升高，進而引起焊料氧化及形成過厚的金屬間化合物，影響了焊點的可靠連接。

潤濕性和潤濕角

潤濕性就是兩種非混相流體呈現于固相介質表面時，某一流體相優先潤濕固體表面的能力。在電子封裝中，潤濕是液態焊料在固態基板表面鋪展能力的度量。焊料與基板之間的潤濕程度可以用潤濕角θ的大小來表示，如圖1所示，液態焊料呈球冠狀，并構成了一個由固、液、氣三相組成的界面體系。從三相接觸點沿液、氣界面做切線，該切線和固、液界面的夾角θ稱為潤濕角。θ的大小與接觸各相的界面張力有關，三相接觸點同時受到三個力的共同作用：σ_lg表示液態焊料與氣相之間的界面張力，σ_ls表示表示液態焊料與焊盤之間的界面張力，σ_gs表示表示氣相與焊盤之間的界面張力。三相接觸平衡時，合力為零，液態焊料表面自由能處于最低狀態。

圖1潤濕示意圖

電子軟釬焊中，潤濕性的好壞根據行業標準進行判斷：

潤濕優良：θ<30°，且在焊點表面上可觀察到一層連續、均勻、光滑、無裂痕和無氣孔的附著良好的焊料；

部分潤濕：θ>30°，從潤濕區域的邊緣上可看到母材金屬表面某些地方被焊料潤濕，而另一些地方未被潤濕；

弱潤濕：在焊盤表面，初始被液態焊料潤濕，接著液態焊料產生部分收縮而形成不規則的液滴；

不潤濕：θ>90°，焊料液滴在焊盤表面未鋪展，并可用外力除去。

SAC305焊料在基板上的潤濕角

 圖2 SAC305焊球在不同基板上不同溫度下的潤濕角

圖2表示 SAC305焊球在不同基板上隨溫度逐漸變化的潤濕角。根據數據分析，回流溫度在523K和583K范圍內時，該焊料合金在Cu/Ni、Cu、Cu/Ni/Ag、Cu/Ag、和Cu/Ni/Au等五種基板上均可潤濕。在同一基板上，隨著溫度的升高，潤濕角逐漸減小，表示較高的回流溫度提高了該焊料的潤濕性。相同回流溫度下，該焊料合金在Cu/Ni、Cu、Cu/Ni/Ag、Cu/Ag、和Cu/Ni/Au基板上潤濕角依次減小，特別是基板中含有Ag和Au的情況下變化特別明顯，在基板上的鋪展能力提高。

SAC305焊料與基板界面間的金屬間化合物

    圖3反映了回流溫度為 523K時，SAC305焊料在Cu/Ni、Cu和Cu/Ag基板上形成的金屬間化合物形貌。由圖3（a）可知，Cu/Ni基板與SAC305焊料反應形成平坦的暗灰色金屬間化合物層，并在靠近焊料處形成了少量塊狀化合物層。由圖3（b）界面處的元素分布確定該化合物為（Cu，Ni）₃Sn₄。而Cu、Cu/Ag基板與SAC305均形成了扇貝狀Cu₆Sn₅金屬間化合物，相比下圖3（d）中的化合物厚度更大，且出現了細長的形貌。

圖3 523K下SAC305焊料在不同基板上形成的界面形貌：

（a）Cu/Ni，（b）焊料和Cu界面的元素分布，（c）Cu和（d）Cu/Ag。

圖4 553K下SAC305焊料在不同基板上形成的界面形貌：

（a）Cu/Ni，（b）Cu和（c）Cu/Ag。

回流溫度為 553K時，SAC305焊料在Cu/Ni、Cu和Cu/Ag基板上形成的金屬間化合物形貌如圖（4）所示。Cu/Ni基板上，暗灰色的層狀金屬間化合物   （Cu，Ni）₃Sn₄厚度增大；Cu基板與焊料形成的Cu₆Sn₅化合物晶粒更加粗大；Cu/Ag基板上少量金屬間化合物已經擴散到焊料基體中，同時也出現了少量白色絮狀Sn-Ag-Cu化合物。

圖5 583K下SAC305焊料在不同基板上形成的界面形貌：

1. Cu/Ni，（b）Cu和（c）Cu/Ag。

回流溫度為 583K時，（Cu，Ni）₃Sn₄化合物厚度進一步增大，扇貝狀的Cu₆Sn₅化合物長寬比繼續增大，且大量擴散到焊料基體中。由圖（3）、（4）和（5）可知，在523K和583K溫度區間內，溫度越高，元素擴散越充分，潤濕能力越強。這與圖（2）中的數據是一致的。

結論

1、基板中含有Ag或Au的情況下，SAC305焊料潤濕基板的能力明顯增強。

2、同一基板上，在523K和583K溫度范圍內，溫度越高，焊料元素的擴散速率和金屬間化合物的形成速率越快，潤濕性越好。