共晶金錫焊料焊接的處理和可靠性問題
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- 共晶金錫焊料焊接的處理和可靠性問題因為傳統(tǒng)鉛錫焊料和無鉛焊料強度不足、砍蠕變能力差以及其他的本身缺陷，共晶金錫焊料已經(jīng)替代它們廣泛用于高可靠和高功率電路中，包括使用在混合電路、MEM、光電開關(guān)、LEDs、激光二極管和無線電裝置。金錫焊料焊接中可以避免使用組焊劑，尤其可以減少污染和焊盤的腐蝕。雖然使用金錫焊料有很多優(yōu)點，但材料的性能和焊接工藝工程仍需研究。
前言：由于共晶金錫焊料具有優(yōu)良的機械和熱傳導(dǎo)性能 （特別是強度和抗蠕變性）以及不需組焊劑可以很好的再流的特性，共晶AuSn被廣泛應(yīng)用于高溫和高可靠性的電路中。與之對比其他無鉛和傳統(tǒng)的鉛錫共晶焊料卻有著大量的問題：
焊接時需要的組焊劑造成了焊接焊盤的腐蝕，同時殘雜也會危害EMES、光電電路和密封封裝（組焊劑一般在密封電路中被禁止使用）。
在光學(xué)電路中焊料的過度蠕變或應(yīng)力松弛的積累會導(dǎo)致陣列的退化。
低強度
低熱傳導(dǎo)率（盡管這個問題被夸大了，事實上熱傳導(dǎo)率還需要考慮大焊接焊料的厚度）
共晶金錫焊料已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用：如MEMS光開關(guān)等微電子和光電子學(xué)中使用的倒裝芯片；光纖附件; GaAs和InP激光二極管 ;密封包裝;和射頻器件等。
AuSn的焊接已證明可靠性可以達(dá)到30多年，是因為其焊接中再流過程可以產(chǎn)生重復(fù)、無空洞以及無缺陷的焊接。本文回答了很多公司關(guān)于焊接設(shè)計、焊接材料組合以及再流焊技術(shù)發(fā)展等問題。
相圖
我們可以從金錫焊料的二元相圖去認(rèn)識很多共晶金錫焊料焊接的關(guān)鍵問題，如圖1所示，焊料中富金時，液相線下降非常迅速，在常溫下有大量的“線性”化合物。
當(dāng)使用金錫焊料焊接鍍金層時，焊接溫度必須超過280攝氏度，因為只有達(dá)到這個焊接問題，鍍層里的金元素才可以擴(kuò)散或融入到焊料中。這樣可以產(chǎn)生兩個優(yōu)點：在這個溫度下第二次再流不會損壞到焊料；更高的溫度也可以產(chǎn)生更大的抗蠕變性。然而，焊接后中間的焊料很難再次起到焊接作用，因為即使兩個焊接界面可以分開，殘留下焊接時形成的金屬間化合物都會阻止再流。而且，焊接中的“凝固” 現(xiàn)象也會使浸濕不充分導(dǎo)致焊接不完全而使強度下降。
這些缺點可以通過增加焊料中錫成分成為富錫焊料，這樣，共晶成分中金完全平均分散的。但在使用金錫焊膏時候，這種方法也是有一定缺陷的，因為焊膏的成分是可變的，這也是為什么使用蒸發(fā)、濺射或電鍍方法來沉積焊膏。
對于共晶焊接，我們應(yīng)該關(guān)注冷卻時如下的過程：L → ξ+ δ → ξ’ + δ，一般來說，焊接后ξ和ξ’構(gòu)成了焊接的主要組成，其中ξ’是焊接后形成的金屬間化合物。
焊接后，我們期盼構(gòu)成η, ε,δ和ξ’的連續(xù)的界面。一般來說，瞬間液相（TLP）連接使用的更多而不是共晶連接。瞬間液相（TLP）連接的優(yōu)點的是連接溫度處于Sn液相點和共晶液相間之間。但是，此種焊接時加熱時間和冷卻時間都需要更長，而且如果在這個過程里反應(yīng)沒有完全，則以后長時間里微結(jié)構(gòu)的演變都會繼續(xù)。通過多層薄的焊料可以減少這些缺陷，因為薄層可以減少擴(kuò)散距離，也減少產(chǎn)生金屬間化合物的時間。
這個相圖有利于我們認(rèn)識焊料的機械性能。錫富一方形成的金屬間化合物方圖是“線”形化合物，具有極其有限的溶解度。這些化合物一般有著高強度和良好的抗蠕變性，但展延性減少。
但在下文中我們將討論到，具備中等延性和優(yōu)良的抗蠕變性的金錫焊料形成的金屬間化合物卻遠(yuǎn)比CuSn化合物有更好的展延性。...
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