激光焊接與退火處理對Sn-Ag-Cu焊料接頭可靠性的影響-深圳福英達
激光焊接與退火處理對Sn-Ag-Cu焊料接頭可靠性的影響-深圳福英達
隨著電子設備的不斷往微型化趨勢發展，對焊接工藝的要求也日益提高。在此背景下，Sn-Ag-Cu焊料（如SAC305和SAC307）作為目前主流的無鉛焊料，被廣泛應用于電子工業中的傳統波峰焊和回流焊工藝中。然而，與傳統的含鉛焊料相比，Sn-Ag-Cu焊料具有較高的硬度和較差的韌性，因此在動態載荷下容易發生變形，尤其是在便攜式電子設備中的使用頻率較高的情況下更加明顯。
除了焊料自身的性質外，焊接過程中焊料與金屬基板的反應速度也是影響焊點可靠性的重要因素。Sn-Ag-Cu焊料與金屬的反應速度較快，容易形成金屬間化合物（IMC）層，而這對焊點的可靠性至關重要。目前，回流焊接已廣泛應用于電子封裝和組裝工藝中。然而，隨著電子設備的微型化和熱敏電子元件的使用，使用傳統的回流焊接工藝往往會遇到困難。
激光焊接工藝作為一種替代加熱工藝，因其獨特的特性（包括局部非接觸加熱、快速升溫和降溫）已被引入工業領域并投入實際使用。與傳統的回流工藝相比，激光焊接工藝更易于實現自動化。此外，激光焊接工藝還可以安裝單個元件和定制印刷電路板（PCB）組件。使用激光輻射進行選擇性焊接在實踐中已經非常成熟，并應用于許多工業領域。與測溫儀結合使用，溫度可控的焊接工藝具有很高的工藝穩定性，可確保穩定的質量。有研究表明，與傳統的紅外回流焊接樣品相比，激光焊接工藝降低了焊料中合金成分的擴散，并將互連器件的機械阻抗提高了50%以上。
然而，雖然激光焊接技術具有諸多優勢，但在提高Sn-Ag-Cu焊料凸點焊接可靠性方面仍然存在挑戰。為了評估激光焊接技術對焊接接頭可靠性的影響，并探討激光焊接后的退火處理對焊料凸點的影響。Nishikawa等人使用了直徑為1mm 的SAC305焊球、銅焊盤基板和輕度活化松香（RMA）焊劑，采用激光焊接系統在空氣中加熱焊球并做退火處理。焊球主要在大氣中以40 W功率加熱1 s或40 W功率1 s+20 W功率5 s作為退火處理。焊接完成后，在乙醇溶液中對試樣進行超聲波清洗，以去除焊點上的殘留焊劑。最后使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察焊料/銅焊盤界面和焊料基質的微觀結構。為了評價焊接接頭的沖擊可靠性，Nishikawa等人使用了微沖擊試驗機進行微沖擊試驗，沖擊高度和速度分別為 100 μm 和 1 m/s。圖 1 顯示了球撞擊試驗的程序示意圖和試驗產生的典型力-位移曲線。為獲得平均值，對每種焊接條件下的 10 個焊球進行了微沖擊試驗。
圖1. 微型沖擊試驗示意圖和測得的典型載荷-位移曲線。(a) 微型沖擊試驗和試驗條件；(b) 典型的載荷-位移曲線。
焊點微觀形貌
圖2顯示了激光焊接和老化后SAC焊料與銅焊盤之間界面的掃描電鏡顯微照片。顯微照片顯示的是在 20 W 下退火 5 秒和未退火的界面。在有經過退火和無退火處理的兩種情況下，焊料和銅基板之間的界面上都形成了很薄的 IMC 層，該 IMC 層的厚度小于 1 μm。
圖2. 焊接和老化后焊料與銅焊盤之間界面的掃描電鏡顯微照片。
微沖擊試驗
圖3顯示了老化時間對微沖擊試驗得出的載荷-位移曲線最大載荷的影響。最大載荷是在 20 W 下退火 5 秒和未退火樣品的載荷。焊接后，經過退火處理的樣品的最大載荷與未經過退火處理的類似。在 150°C 下老化 504 小時后，使用激光工藝加熱并退火的焊接凸點的沖擊可靠性優于使用激光工藝加熱但未退火的焊接凸點。
圖3. 老化時間對微型沖擊試驗得出的載荷-位移曲線最大載荷的影響。
在錫基焊料和銅焊盤之間的界面上，銅是主要的擴散物種，其中銅原子可以擴散到 Cu6Sn5/焊料界面并與Sn發生反應。如果發生這種情況，Cu 基底內部的體積擴散或沿 Cu3Sn 層界面的擴散就無法彌補 Cu 的外流。因此，銅原子很容易擴散到界面。這可能是激光工藝焊接的焊點在界面上形成許多空隙的原因，而且激光工藝焊接的焊點的最大負載大大降低，明顯低于傳統回流焊工藝焊接的焊點。因此，Nishikawa等人觀察了化學去除焊料后 IMC 的俯視形態。圖 4 顯示了 IMC 焊接后的俯視形態。在 20 W 下退火 5 秒后，界面處 IMC 層的俯視形態與未退火時截然不同。在 20 W 退火 5 秒的激光焊接中，IMC 晶粒明顯變大。這些大的 IMC 晶粒能有效阻止銅原子擴散到激光焊接工藝焊接的焊點界面。
圖4. 金屬間化合物 (IMC) 未退火和焊接后在 20 W 下退火 5 秒的俯視掃描電鏡顯微照片。
總結
實驗結果表明，通過激光焊接和后續的退火處理，可以有效改善焊接接頭的可靠性。在焊料與銅基板的界面上形成的IMC層厚度得到了控制，并且焊點的沖擊強度得到了顯著提高。此外，退火處理還能夠阻止銅原子在界面處的擴散，進一步增強了焊接接頭的穩定性和可靠性。
參考文獻
Nishikawa, H., & Iwata, N. (2015). Improvement of Joint Reliability of Sn-Ag-Cu Solder Bumps on Cu by a Laser Process. MATERIALS TRANSACTIONS, 56(7), 1025–1029.
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