福英達激光錫膏_激光焊接可靠性
福英達激光錫膏_激光焊接可靠性
回流焊接工藝經過了多年的發展目前已經是相當成熟的軟釬料焊接工藝，回流的時間只需要幾分鐘即可。那么有沒有一種焊接速度更快的工藝呢？激光技術的應用很早也很廣，但是應用到軟釬焊上卻比較晚。激光焊接通過發射激光束產生熱能，在幾秒內就能實現錫膏/焊料球的熔融焊接。激光焊接能夠用在低溫和中高溫的焊接場合，具有局部加熱，非接觸式和焊接耗時短等優點。激光焊接能夠在細小焊盤上完成點對點焊接任務，在高封裝密度，芯片微型化的電子設備上應用前景很廣。
激光焊接測試
激光焊接的可靠性一直是業內討論的話題。需要對焊料的配方和激光焊接工藝進行不斷摸索才能找到適配的參數。為此Jeong等人就對激光焊接工藝進行了可靠性測試。他們選擇了SnBi共晶BGA焊料球(Sn42Bi58)和化學鎳鈀金處理銅焊盤(ENEPIG)作為激光焊接測試材料。測試的激光功率包括130W，150W和170W。測試焊接時間為2s和4s。
圖1. 測試焊盤和激光焊接示意圖。
激光焊接微觀結構
有效的焊接通過冶金結合實現，主要通過焊料和焊盤金屬的界面反應和IMC生長而實現。由圖2可以看到，當激光功率較低(130W)，焊接表面生成的IMC類型是板型的(Pd, Au)Sn4。當焊接條件變為150W (2s)，IMC依舊是(Pd, Au)Sn4。不過如果在150W下焊接4s，IMC種類發生變化，出現了(Cu, Ni)6Sn5。并且部分Ni被反應消耗，會出現富P Ni層。在170W焊接4s后也發現富P Ni層。在高能量下，Au和Pd層完全溶解進焊料并抑制(Pd, Au)Sn4的形成。
圖2. 激光焊接后的焊點SEM圖。(a, b) 130W, 4s; (c, d) 150W, 2s; (e, f) 150W, 4s; (g, h) 170W, 2s; (i, j) 170W, 4s。
在110℃老化100小時后，在所有樣品中都能觀察到富P Ni層，并且在富P Ni層下面形成了(Cu, Ni)3Sn。對于130W（4s）和170W（2s）的條件，(Pd，Au)Sn4 從焊盤界面脫落。對于高激光能量170W(4s)條件測試下的樣品，老化后IMC厚度大于其它測試條件的樣品且一部分(Cu, Ni)6Sn5轉化為(Cu, Ni)3Sn。此外還出現了Bi偏析。Bi偏析是因為過飽和Bi在(Cu, Ni)3Sn溶解度較低，Bi因此析出并沉淀。
當老化時間進一步演延長到2000小時，所有激光焊接條件的焊點都出現更多Cu, Ni)3Sn生長。并且150W(4s)焊接條件的焊點還開始出現Bi偏析和空洞，削弱了焊點可靠性。
圖3. 110℃老化100小時的焊點SEM圖。(a, b) 130W, 4s; (c, d) 150W, 2s; (e, f) 150W, 4s; (g, h) 170W, 2s; (i, j) 170W, 4s。
圖4. 110℃老化2000小時的焊點SEM圖。(a) 130W, 4s; (b) 150W, 2s; (c) 150W, 4s; (d) 170W, 2s; (e) 170W, 4s。
剪切強度
焊點的剪切強度和老化時間有著直接關聯。當老化時間增加，焊點斷裂模式從韌性斷裂轉變為脆性斷裂。老化過程中脆性IMC過度生長，IMC層增厚，Bi偏析和空洞都會導致剪切強度的減弱。所有測試樣品老化過程剪切強度變化的趨勢都相似。150W(4s)條件的焊點在500小時老化后出現剪切強度的巨幅下降。170W(4s)條件的焊點強度則是在250小時就出現大幅下降。130W(4S)和170W(2s)的條件的樣品在老化前期剪切強度較低。但是在老化2000小時后，強度反而要優于其他焊接條件。Jeong認為170W(2s)是最佳的激光焊接條件，因為長時間老化后強度依舊優秀，并且在1000-2000小時老化期間強度下降速度比130W(4S)小很多。
圖5. 老化過程剪切強度變化。
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參考文獻
Jeong, M.S., Lee, D.H., Kim, H.T. & Yoon, J.W. (2022). “Reliability of laser soldering using low melting temperature eutectic Sn-Bi solder and electroless Ni-electroless Pd-immersion Au-finished Cu pad”, Material Characterization, vol.194.
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