焊接時出現(xiàn)空洞的成因和緩解措施-深圳福英達
焊接時出現(xiàn)空洞的成因和緩解措施-深圳福英達
瞬態(tài)液相（TLP）鍵合是一種在高溫電子器件，特別是功率器件封裝中較為常見的鍵合技術(shù)。TLP鍵合可以在較低的溫度進行，且能在較高的溫度下保持穩(wěn)定。TLP鍵合使用低熔點金屬作為中間層，并與基板上的高熔點金屬結(jié)合。然而，該技術(shù)會明顯受到焊接空洞的影響，這會導致焊點熱傳遞能力和機械強度下降?？斩词荰LP鍵合需要重點關(guān)注的問題。
1.1 體積收縮
TLP系統(tǒng)中形成空洞的常見原因是體積收縮。當焊點內(nèi)部開始形成IMCs時，由于IMC與原始焊料金屬的結(jié)構(gòu)和數(shù)量密度不同，因此，在平衡條件下， IMCs的體積將需要比初始反應(yīng)元素的體積總和更小。由于IMC體積的收縮和焊點厚度的減小，焊點內(nèi)部會產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，而應(yīng)力的釋放往往會造成空洞。
1.2 形成IMCs的液相不足
TLP鍵合時形成IMC的液相量不足會導致焊點形成空洞。如圖1所示，當Sn層厚度略大于η-Cu6Sn5時，隨著加熱的進行，剩余的Sn熔化，但隨后與Cu的反應(yīng)受到η相固體晶粒的限制。在受限區(qū)域中Sn和Cu的反應(yīng)造成了焊料本體消耗，導致空洞的形成。
圖1. Sn-Cu系統(tǒng)的IMC生長。
1.3 柯肯達爾空洞
焊料和焊盤之間界面處IMCs內(nèi)的不同互擴散率導致了部分區(qū)域焊料的消耗從而形成柯肯達爾空洞。通常TLP焊點中柯肯達爾空洞的形成也是由不同金屬成分在焊料/基板界面的不平衡擴散引起?？驴线_爾空洞形成一般發(fā)生在Sn-Cu TLP系統(tǒng)中，這是因為Cu向外擴散速度較快，在Cu3Sn IMC中留下了空洞。
2.1 引入緩沖層
在TLP系統(tǒng)中的反應(yīng)層之間引入金屬層能形成額外的IMC，該IMC可以彌補被消耗的低溫液體。例如，為了防止在Ni3Sn4 IMCs內(nèi)形成空洞，可以采用Sn2.4Ag代替純Sn。隨著老化時間增加，Ag3Sn大量出現(xiàn)在Ni3Sn4層之間，且未發(fā)現(xiàn)有空洞的出現(xiàn)。
圖2. 180℃老化過程中Ni/Sn2.4Ag/Ni 焊點演變。(a) 12h; (b)72h; (c)378h。
2.2 優(yōu)化鍵合溫度
由于原子擴散速度一般與溫度成正比，因此當鍵合溫度過高時，Cu等原子快速的擴散會造成更多的空洞形成。此外，如果焊接加熱速度太慢，中間層反應(yīng)會不斷與基板金屬反應(yīng)并完全消耗。在這種情況下，中間層難以進入熔化階段導致不能填充焊點中的間隙，從而在最終焊點中留下空洞。
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Mokhtari, O. (2019). A review: Formation of voids in solder joint during the transient liquid phase bonding process - Causes and solutions. Microelectronics Reliability, vol.98, pp.95-105.
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