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電子元器件電極表面狀態對互連焊接可靠性的影響
上傳更新:2019-02-25

摘自:范 陶朱公  可靠性雜壇

一、從可靠性的角度出發

現代各類電子元器件引腳(電極)所用基體金屬材料及其特性,以及在基體金屬上所可能采取的各種抗腐蝕性及可焊性?;ね坎悴牧系暮附有閱?,涂層在儲存過程中發生的物理、化學反應,涂層的成分、致密性、光亮度、雜質含量等對焊接可靠性的影響,從而優選出抗氧化能力、可焊性、防腐蝕性最好的涂層,以及獲得該涂層的最佳工藝條件,是確保焊接互連可靠性的重要因素之一。

在現代電子產品中已普遍實現IC、LSI、VLSI化,對其所使用的電極材料越來越重視。例如,材料的電阻率、熱膨脹系數、高溫下的機械強度、材質和形狀等都必須要細致地考慮。對現代電子工業用的引腳(電極)材料的基本要求是:

●導電性和導熱性要好;

●熱膨脹系數要??;

●機械強度要大;

●拉伸和沖裁等加工性能要好。

目前普遍使用的引腳材料可分為Fe-Ni基合金和Cu基合金兩大類。

 

二、電子元器件引腳用材料對焊接可靠性的影響

1. Fe-Ni基合金

1)特征及應用范圍

Fe-Ni基合金系中的科瓦合金等品牌,當初是作為玻璃封裝用的合金而開發的。其熱膨脹曲線與IC芯片的Si是近似的,如圖1所示。而且還可將其作為Au-Si系焊接的焊材進行直接焊接。因此,在MOS系列器件中普遍采用它作為引腳材料。

Fe-Ni基合金系的代表性合金是42合金,由于它機械強度大,熱膨脹系數小,故廣泛用做陶瓷封裝芯片的電極材料。

 

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2)常用品牌成分及其特性

主要Fe-Ni基合金的特性如表1所示。

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由于本合金系存在著磁性及電阻率大的特點,故作為引腳材料是其不足之處。因此它專用于功率消耗比較小,產生熱量比較少的MOS類IC器件。

2. 銅基合金

當電子電路進入到大集成化、高密度組裝化階段,發生在其引腳上的電阻熱已成為不可忽視的問題。因此,廣泛采用導熱性、導電性好及在高溫下機械性能也好的新的Cu基合金替代Fe-Ni基合金,來滿足元器件引腳材料的發展要求,已成為電子元器件業界所關注的問題。

由于Cu基合金系導電性和導熱性均好,散熱性也不錯,而且與42合金相比價格上也有優勢,故廣泛應用于塑料封裝芯片中。

3. Cu包不銹鋼引腳材料

為了能同時滿足機械強度和散熱性的目的,在日本正在開發以不銹鋼(SUS430系)作為芯材,再在其兩面按10/80/10的比例鍍無氧銅的金屬包層的新的引線框材料。

 

三、引腳的可焊性涂層對焊接可靠性的影響

1. 可焊性

表示金屬及其金屬涂層表面對軟釬料的潤濕能力。這種能力通常都是在規定的助焊劑和溫度的條件下,測定熔融焊料在其上的實際潤濕面積和潤濕的最小時間來評估其優劣的。

2. 可焊性狀態分類

軟釬料在金屬及其金屬涂層上的潤濕狀況可分成下述3種類型。

(1)潤濕(Wetting):釬料在基體金屬表面能形成一層均勻、光滑、完整的釬料薄層,如圖2所示

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(2)弱潤濕(Dewetting):釬料在基體金屬表面覆蓋了一層薄釬料,留下一些由釬料構成的不規則的小顆?;蛐×?,但未暴露基體金屬。也有人將其稱為“半潤濕”,如圖3所示。

 

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(3)不潤濕(Non-wetting):釬料在基體金屬表面僅留下一些分離的、不規則的條狀或粒狀的釬料,它們被一些小面積薄層釬料和部分暴露的基體金屬面積所包圍,如圖4所示。

 

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3. 可焊性涂層的分類

焊接過程是熔化的軟釬料和被焊的基體金屬結晶組織之間通過合金反應,將金屬和金屬結合在一起的過程。許多單金屬或合金都可以和SnPb、SnAgCu等釬料發生冶金反應而生成IMC,從理論上講,它們均可以作為可焊性鍍層。按焊接時的熔化狀態的不同,又可將其分成3類:

(1)可熔鍍層:焊接溫度下鍍層金屬熔化,如Sn、Sn-Pb合金鍍層等。

(2)可溶鍍層:焊接溫度下鍍層金屬不熔化,但其可溶于焊料合金中,如Au、Ag、Cu、Pd等,如圖5所示。

 

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(3)不熔也不溶鍍層:焊接溫度下鍍層金屬既不熔化,也不溶于焊料中,如Ni、Fe、Sn-Ni等。

4. 可焊性鍍層的可焊性評估

1)影響鍍層可焊性的因素

影響可焊性鍍層可焊性的因素有:鍍層本身的性質、厚度、施鍍方法、表面涂敷、存放時間和環境、焊接工藝條件(焊料和助焊劑、焊接參數和工藝方法)等。歸納起來如下。

(1)基體金屬鍍層表面被氧化。

●引線涂敷后未能徹底清洗,表面可能有氯離子、硫化物等酸性殘留物。這些殘留物質與空氣中的氧和潮氣接觸后就會使鍍層表面氧化。Sn或Pb的氧化物熔點非常高,如PbO熔點為888℃;PbS熔點為1 114℃,SnO2熔點為1127℃。Sn、Pb等的氧化物在正常焊接溫度下不能熔解,形成有害的物質覆蓋在鍍層的表面上,從而導致引線可焊性劣化。

●即使表面清洗干凈的引線如果儲存條件不良,長時間置放在潮濕空氣中或含有酸、堿等物質的有害氣體中,引線表面鍍層金屬也會發生氧化,使引線表面出現白點或發黃、發黑。

(2)引線基體金屬表面處理不良。引線涂敷前某些金屬表面有金屬氧化物或油脂等時,這些物質會使金屬鍍層與基體金屬結合力下降,造成虛焊和脫焊。

(3)引線鍍層不良。鍍層太薄或鍍層不連續或疏松、有針孔,會影響引線的儲存性能,使可焊性劣化。

Cu表面鍍Sn、SnPb合金,能防止Cu氧化。但由于鍍層疏松有針孔,使基體Cu表面與空氣之間產生了通道,從而導致下述后果:

●大氣中的氧和潮氣通過鍍層中的針孔與基體金屬表面接觸,使基體金屬氧化和腐蝕。

●由于Sn、Pb的標準電極電位都比Cu負,是陰極性鍍層,當潮氣通過鍍層中的針孔與基體金屬表面接觸時便形成一個微電池,鍍層金屬Sn或SnPb合金將被腐蝕。

2)金屬擴散層的影響

在電鍍中鍍層Sn和SnPb合金與基體金屬Cu表面是原子結合,而熱浸涂層Sn和基體金屬Cu之間存在Cu6Sn5化合物。這種化合物能使鍍層Sn黏附在基體金屬上,但隨著時間增長,基體金屬Cu和鍍層金屬Sn之間繼續擴散,合金層生長過厚就有可能生長出極薄的Cu3Sn化合物,這將降低可焊性,影響焊接強度。

5. 引腳可焊性鍍層對焊接可靠性的影響

1)Au鍍層

(1)鍍層特點。該鍍層有很好的裝飾性、耐蝕性和較低的接觸電阻,鍍層可焊性優良,極易溶于釬料中。其耐蝕性和可焊性取決于有否足夠的鍍層厚度及無孔隙性。薄鍍層的多孔隙性,易發生銅的擴散,帶來氧化問題而導致可焊性變差。而過厚的鍍層又會造成因Au的脆性而帶來不牢固的焊接頭。

許多公司將ENIG Ni/Au用做表面涂層,并獲得了成功。然而,在將ENIG Ni/Au涂層與BGA結合起來使用時,有時其結果是不可預見的。最近幾年出現兩種失效模式:

●第一種失效模式是不潤濕或半潤濕,這種現象被稱為“黑色焊盤”;

●第二種失效模式是與機械應力相關的層間開裂。

(2)鍍層厚度。焊接用鍍金層是24k純金,具有柱狀結構,有極好的導電性和可焊性。其厚度:

1級:0.025~0.05μm;2級:0.05~0.075μm;3級:0.127~0.254μm。

2)Ag鍍層

(1)鍍層特點。Ag在常溫下具有最好的導熱性、導電性和焊接性,除硝酸外,在其他酸中是穩定的。Ag具有很好的拋光性,有極強的反光能力,高頻損耗小,表面傳導能力高。然而,Ag對S的親和力極高,大氣中微量的S(H2S、SO2或其他硫化物)都會使其變色,生成Ag2S、Ag2O而喪失可焊性。

Ag的另一個不足是Ag離子很容易在潮濕環境中沿著絕緣材料表面及體積方向遷移,使材料的絕緣性能劣化甚至短路。

(2)化學鍍Ag?;Ф艫g層既可以焊接,又可“綁定”(壓焊),因而普遍受到重視?;Ф艫g層本質上也是浸Ag。Cu的標準電極電位為φ oCu+/Cu=0.51V,而Ag的標準電極電位為φ oAg+/Ag=0.799V,因而Cu可以置換溶液中的Ag離子而在Cu表面生成沉積的Ag層。

3)Ni鍍層

(1)鍍層特點。Ni有很好的耐蝕性,在空氣中容易鈍化,形成一層致密的氧化膜,因而它本身的焊接性能很差。但也正是這層氧化膜使它具有較高的耐蝕性,能耐強堿,與鹽酸和硫酸作用緩慢,僅易溶于硝酸。

焊接件鍍Ni主要是防止底層金屬Cu向表層Au層擴散。實際上它是充當一層阻擋層,故要求鍍Ni層的應力要低,并且與Cu和Au層之間結合力要好。

(2)鍍層厚度。Ni鍍層分下述兩種。

●半光亮Ni:又稱低應力Ni或啞Ni,低應力Ni宜于焊接或壓接,通常作為板面鍍金的底層;

●光亮Ni:做插頭鍍金的底層,根據需要也可作為面層,光亮Ni層均勻、細致、光亮,但不可焊。

Ni層應具有均勻致密、孔隙率低、延展性好的特點,用于焊接和壓接時適宜采用低應力Ni。鍍層厚度(IPC-6012規定):

不低于:2~2.5μm。打底:1級 2.0μm;2級 2.5~5.0μm;3級 ≥5.0μm。

4)Sn鍍層

Sn不僅怕冷,而且怕熱。在溫度低于13.2℃時發生相變,由β相(白錫)演變為α相(灰錫),即發生錫瘟現象。而在161℃以上時,白錫又轉變成具有斜方晶系結構的斜方錫。斜方錫很脆,一敲就碎,展性很差,叫做“脆錫”。白錫、灰錫、脆錫是錫的3種同素異性體。

(1)鍍層特點。鍍Sn在鋼鐵上屬于陰極鍍層,只有其鍍層無孔隙時,才能有效地?;じ痔饈芨?。不同的工藝方法獲得的鍍層,其焊接性能也是不同的,如表2所示。

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鍍暗Sn層外觀呈無光澤的灰白色,其焊接性能比光亮鍍Sn層好,但它不能抵抗手汗漬的污染。鍍暗Sn層經熱熔后,其可焊性最好,抗手汗漬污染能力也大為提高。

光亮鍍Sn層焊接性能好,且在工序傳遞及儲存過程中有很好的抗手汗漬和其他污染的能力。但由于有機添加劑的存在,在加熱時會放出氣體,造成焊縫中出現氣泡、裂口等缺陷,影響焊點的可靠性。

(2)鍍層厚度。Sn容易與Cu生成金屬間化合物,這種金屬間化合物可焊性不良。但一定量的金屬間化合物是潤濕的標志。故Sn鍍層中應該有一部分用于金屬間化合物的生成,而鍍層的表面為氧化膜所占用,剩余部分才可用于改善可焊性。因此,通常鍍Sn層厚度為8~10μm。

5)Cu鍍層

Cu是一種優良的可焊性鍍層,只要它的表面是新鮮的,或者采取了有效的?;ざ揮醒躉蚋?。細晶粒的鍍層比粗晶粒鍍層具有更好的可焊性。

6)Pd鍍層

化學浸Pd(鈀)是元器件引腳的理想Cu-Ni?;げ?,它既可焊接又可“綁定”(壓焊)??芍苯傭圃贑u上,因Pd有自催化能力,鍍層可以增厚,其厚度可達0.08~0.2μm。它也可鍍在化學Ni層上。

Pd層耐熱性高、穩定,能經受多次熱沖擊。由于Pd價格高于Au,故在一定程度上限制了它的應用。隨著IC集成度的提高和組裝技術的進步,化學鍍Pd在芯片級組裝(CSP)上將發揮更有效的作用。

7)SnPb鍍層

●SnPb合金鍍層在PCB生產中可作為堿性?;げ?,對鍍層要求是均勻、致密、半光亮。

●SnPb合金熔點比Sn、Pb均低,且孔隙率和可焊性均好。只要含Pb量達到2%~3%就可以消除Sn“晶須”問題。

●在PCB上電鍍SnPb合金必須有足夠的厚度,才能為其提供足夠的?;ず土己玫目珊感?。MIL-STD-27513規定,SnPb合金最小厚度為7.5μm。此規定由美國宇航局提出,并得到美國空間工業的公認。英國錫研究所提供的報告中也指出SnPb合金鍍層的最薄厚度為7.5μm。

●普通SnPb合金鍍層結構是薄片狀的,有顆粒狀暗色外觀,鍍層多針孔。這種鍍層在加工過程中易變色而影響可焊性。經過熱熔(紅外熱熔或熱油(甘油)熱熔)后,即可得到光亮致密的涂層,提高了抗腐蝕性,延長了壽命。熱熔還可使SnPb合金鍍層中的有機夾雜物受熱逸出,可減少波峰焊接時氣泡的產生。

●熱熔時,Cu、Sn間會生成一層薄的金屬間化合物,這是潤濕所必需的,但其量必須合適,才能確保良好的潤濕性,如果量大反而有害。溫度越高,時間越長,越有利于金屬間化合物的生長,耗Sn就越多,這樣就可能造成靠近金屬間化合物的釬料層附近出現富鉛相,導致半潤濕。

8)SnZn鍍層

Sn、Zn都廣泛用于鋼鐵的防腐蝕上,但它們的防腐蝕機理不一樣。Sn是比鋼鐵更貴的金屬,故它是一種陰極鍍層,鋼鐵只有通過Sn鍍層的孔隙才能形成腐蝕微電池,故銹蝕出現在孔隙處。

Zn是比鋼鐵更賤的金屬,它是通過自身的陽極腐蝕來?;じ痔?。SnZn合金鍍層兼備了Sn、Zn兩金屬的優點,而彌補了它們的缺點。該合金鍍層不僅具有很高的耐腐蝕性(75%Sn/25%Zn),可焊性很好(10%Sn/90%Zn),而且不會形成“晶須”。鍍層為銀白色,具有鏡面光澤,成本低,在電子產品中可用于代替Ag鍍層。

9)SnCe合金

鍍錫層有生長晶須的危險,其傾向隨Sn濃度的提高、內應力的增加而增加。Sn還有結構變異,低溫產生錫瘟。Sn與Cu有互相滲透生成Cu6Sn5合金擴散層的傾向,過厚的合金層熔點高而脆,影響可焊性。

SnCe合金所得到的鍍層亮度高,抗蝕,改善可焊性,能細化晶粒,改善鍍層。然而在鍍層中還幾乎測不到Ce。這種鍍層能防止基體Cu與Sn的相互擴散,鍍層化學穩定性好,抗氧化能力強,可焊性穩定。

10)其他無氟、無Pb的Sn基合金

Pb合金的可焊性鍍層已投入生產的有Sn/Cu(Cu0.3%),用于電子引線電鍍可獲得光亮和半光亮鍍層。幾種無Pb鍍層的性能比較如表3所示。

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根據樊融融編著的現代電子裝聯工藝可靠性改編

 

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