钎焊工艺对InAg低温焊料结构及剪切性能的影响

刘文胜，黄国基，马运柱，彭芬，崔鹏

(中南大学 粉末冶金国家重点实验室，湖南 长沙，410083)

根据无铅焊料的应用要求及其特征，可按照其熔点高低分为 3个体系：高温(230～350 ℃)焊料、中温(180～230 ℃)焊料和低温(＜180 ℃)焊料[1]。其中，低温焊料由于具有钎焊温度低、对元器件破坏小等优点，在温度敏感元器件焊接和分步焊接中被广泛应用。In基低温焊料与 Sn基焊料相比，具有润湿性好，熔点低和疲劳寿命长等优点[2-3]，如InAg焊料在LED或热感应传感器中具有非常重要的应用价值。Chen等[4]采用DSC研究了InAg焊料的熔化和固化特性。Reynolds等[5]对 InAg共晶焊料焊点的蠕变性能进行了研究。Vianco等[6]针对97In-3Ag低温焊料的压缩应力应变和蠕变性能进行研究。而在回流钎焊过程中，焊料与铜板之间会发生界面反应生成IMC，根据已有研究结果表明[7-9]，IMC层对焊点可靠性和焊点缺陷萌生具有重要的影响。所以，IMC层的厚度和形貌可作为衡量焊点性能及其可靠性的一个标准。而合适的钎焊工艺曲线是IMC厚度生成和形貌调控的关键。但文献中对InAg焊料钎焊曲线的研究鲜有报道。本文作者研究回流钎焊工艺曲线对In-Ag焊料IMC层组织结构及其剪切性能的影响。

1 实验

1.1 原料

以铟锭(99.995%)和银锭(99.95%)熔炼成In3Ag母合金，并通过气雾化法制备In3Ag合金粉末；助焊剂为湖南金箭焊料有限公司生产。

1.2 实验方法

用SiC砂纸打磨25 mm×25 mm×0.5 mm(长×宽×厚)紫铜板，再用无水乙醇清洗，以去除其表面氧化膜。将In3Ag合金粉末与助焊剂按质量比8.5:1.5配制成焊膏。以手工印刷方式将焊膏通过直径为6 mm模板印刷到紫铜板上，采用不同钎焊曲线，使用北京七星天禹TYR108N-C台式回流焊机进行钎焊。

1.3 检测

使用数码相机对焊点拍照，观察其表面形貌。将铜板沿焊点中心纵向剪开，将其冷镶成金相试样，经过打磨、抛光、清洗、吹干后，使用HCl+FeCl3饱和溶液与无水乙醇按体积比1:4配制成腐蚀液腐蚀铜板，用35%HF+10%HNO3+55%H2O(体积分数)腐蚀液腐蚀焊点截面。将腐蚀后试样，采用日本电子株式会社JSM-6360LV型扫描电镜观察其截面IMC层形貌。

剪切试验参照JIS Z 3198-5无铅钎料试验方法[10],剪切试样示意图如图1所示，材料为紫铜板，采用搭接方式钎焊，使用美国Instron3369力学试验机测试焊料剪切性能。

图1 剪切试样示意图Fig.1 Schematic diagram shear specimens

2 结果与分析

2.1 钎焊曲线的设计

理想回流钎焊曲线[11](如图2所示)大致可分为 5个阶段：预热区、活化区、回流区、液化区和冷却区。在预热区，溶剂随温度的升高逐渐挥发；在活化区，助焊剂充分清洗基板及焊粉表面的氧化膜；在回流区，焊膏和基板温度提升到合金熔点，部分焊粉熔化，发生铺展；液化区峰值温度直接影响到焊点的表面及其微观组织结构；冷却区通常选用较快的冷却速度防止晶粒长大，但冷却太快会引起内部热应力产生。

图2 理想回流曲线示意图Fig.2 Ideal temperature curve of reflow soldering

根据 InAg合金和助焊剂的特点，本实验设计回流钎焊曲线如下：预热区曲线升温速度为2 ℃/s，持续时间为2 min；活化区保温温度为150 ℃，保温时间为1 min；回流区升温速度为1 ℃/s；液化区峰值温度分别为160，170，180和190 ℃；冷却区降温速度为 2 ℃/s。

图3所示为在钎焊过程中焊接机绘制的实际工艺曲线。从图3可以看出：在150 ℃保温段有轻微波动，这是由于焊机控温存在误差引起的，但基本符合预设曲线。In3Ag合金熔点为141 ℃，回流焊钎焊温度通常高于熔点20～50 ℃，通过实验，在峰值为150 ℃时，无法完成钎焊，所以实验设计最低峰值温度为160 ℃。

2.2 钎焊曲线对焊点表面和界面组织的影响

图4所示为经不同钎焊曲线所得焊点表面形貌照

片。从图4可以看出：不同温度曲线所得试样形貌相似。铜板基本没有被腐蚀，助焊剂残留较少，说明助焊剂与焊粉质量配比合适，能很好地完成钎焊。4条曲线所得焊点充分铺展于铜板上，成型为规则的圆形，焊点较为饱满，表面光亮，周围无小锡珠出现。从图4(d)可以看出：此时所得的焊点表面有小坑洞出现且焊点颜色轻微发黄，主要原因是此回流曲线峰值温度过高，导致焊点表面发生了部分氧化。

图3 不同峰值温度实际钎焊曲线Fig.3 Actual curves of reflow soldering at different temperatures

图4 焊点表面形貌照片Fig.4 Solder joint surface morphology photos

图5所示为不同钎焊曲线所得焊点微观组织的SEM照片。从图5可以看出：在焊料基体上分布着颗粒状的二次相颗粒，基体为富 In相，二次相颗粒为AgIn2。这种基体焊料中弥散分布的细小IMC会提高焊料的蠕变性能和力学性能，也起到了增强基体强度和硬度的效果。

从图5还可以看出：随着回流曲线峰值温度逐渐升高，IMC层厚度不断增加。峰值温度为 160，170和180 ℃的试样，IMC层为致密的扇贝状结构，厚度均匀，为3～8 μm；而峰值温度为190 ℃试样IMC层较厚，约为12 μm，晶粒也较粗大，IMC层发生断裂，呈团簇状。由此可得，随着峰值温度的增加，IMC层晶粒不断长大，从连续的细晶粒层逐渐长大成粗大晶粒层，在凝固过程中由于铜基板与IMC层热膨胀系数不同，而引起大晶粒层发生断裂。而由于温度升高，原子扩散速率增加，而且IMC生长具有各向异性，IMC晶粒在原来已形成的IMC层边缘继续生长，使得其呈团簇状分布。

通过EDS分析，图5中4个试样IMC成分如表1所示。可见：4个试样的成分均为(Ag，Cu)In2。图5(a)中1点的Ag，Cu和In元素物质的量比为28.37：8.32：63.31，成分约为(Ag0.8Cu0.2)In2，其余3点IMC物质的量比也基本相近。有研究表明，IMC层的厚度生长动力学曲线呈抛物线状，其生长主要由扩散机制控制，且符合Arrhenius方程[12]：

其中：D为扩散系数；D0为扩散常数；Q为激活能；R为气体常数；T为热力学温度。

在钎焊过程中，Cu基板上的Cu原子会扩散到液态的In3Ag焊料中，而基体中的In原子也会反向扩散到Cu基板中，两者会发生反应形成IMC，而IMC厚度受原子扩散系数影响。D0，Q，R对于相同扩散体系均为常数，所以随着温度T升高，扩散系数D增大，即在相同时间下，温度越高，原子扩散的量越大，反应生成的IMC层厚度也越大。

2.3 焊料合金剪切性能分析

图6所示为不同钎焊曲线所得焊料合金剪切试验强度-位移曲线。从图6可以看出：InAg合金焊料剪切应力随钎焊峰值温度升高，总体呈下降趋势。峰值温度为160 ℃的钎焊曲线所得试样的剪切应力最大，约为7.24 MPa，峰值温度为170 ℃和180 ℃所得试样的剪切应力相当，分别为6.29和6.52 MPa，而190 ℃曲线所得试样的剪切应力急剧下降，只有 4.32 MPa左右。图7所示为峰值温度为160 ℃时试样剪切断口形貌SEM照片，从图7可以看出：断口存在大量的韧窝，而且还有明显的剪切滑移带存在，表明 In3Ag合金剪切断裂方式为韧性断裂，这与文献[13]中提到的InAg合金断裂方式一致。

图5 焊点界面形貌SEM照片Fig.5 SEM images of solder joint interface

表1 焊点IMC层的成分(原子数分数)Table 1 Composition of solder joint IMC layer %

图6 焊料剪切试验强度-位移曲线Fig.6 Strength-displacement curves of solder shear test

图7 160 ℃所得试样剪切断口SEM照片Fig.7 SEM image of solder shear fractography at 160 ℃

从图5可以看出：峰值温度分别为 160，170和180 ℃ 3个试样IMC层都较致密，但170 ℃和180 ℃试样IMC厚度较大，使得两者剪切性能较160 ℃试样有所下降。而190 ℃试样由于峰值温度最高，其IMC层的厚度是4个试样中最大的，IMC层形貌由160，170和180 ℃试样致密的扇贝状细晶粒长大成粗大的团簇状晶粒结构，使得其剪切性能急剧下降。虽然IMC熔点高、强度高，有助于提高焊点强度，但是由于IMC晶体结构对称性低，脆性大，粗大的IMC结构会降低焊料界面结合强度，并会在IMC层与焊料基体接触界面上萌生损伤，并导致破坏[14]。如果IMC层过厚，在焊点受剪切应力过程中，粗大且断裂的IMC层会降低焊点剪切性能。因此，致密均匀且厚度小的IMC层，可提高焊料合金的剪切性能。

3 结论

(1) 峰值温度为160 ℃的钎焊曲线所得焊点表面较好，焊点表面光亮，助焊剂残留少；而峰值温度为190 ℃的曲线所得试样由于峰值温度过高，其焊点表面出现较严重的氧化现象。

(2) In3Ag焊料基体为富In相，在基体上弥散分布着颗粒状的 AgIn2。IMC层成分为(Ag0.8Cu0.2)In2；IMC层的生长主要受扩散控制，其厚度随钎焊曲线峰值温度升高而增加。峰值温度为160，170和180 ℃的试样的 IMC层为致密的扇贝状结构，厚度均匀，为3～8 μm；而190 ℃试样的IMC层为团簇状，且厚度为12 μm。

(3) 焊料合金剪切强度随钎焊曲线峰值温度增加而降低，断裂形式为韧性断裂。峰值温度160 ℃钎焊曲线所得试样的剪切强度最高，为7.24 MPa，峰值温度190 ℃钎焊曲线所得试样的剪切强度最低，为4.32 MPa。

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