覆Ag层对用于LD封装的In焊料性能的影响

王永平，程东明，伏桂月，张 勇，卢小可，张微微

（郑州大学物理工程学院，郑州 450000）

1 引言

随着技术的进步，LD的转换效率以及输出功率也不断提高，这就对器件的封装技术提出了更高的要求，尤其对焊料的研发与选用提出了新的挑战。由于LD管芯一般是P面朝下贴装在热沉上的，有源区距热沉距离很小，所以在封装过程中，焊料对管芯的性能有决定性的影响。

用于LD封装的焊料一般是In焊料和Au80Sn20焊料，In焊料为软焊料，具有良好的塑性形变和湿润特性，可以很好地湿润大多数金属，而且可以缓解芯片与热沉膨胀系数的不匹配，被广泛应用于LD器件的封装。但In在烧结过程中易氧化，可在In焊料表面镀一层Ag作为保护层，由图1可知在In wt.97%时形成熔点为144℃的共晶合金AgIn2，Ag的加入有效地降低了焊点熔点温度[6～9]。本文从Ag层厚度和降温速率对内部In焊料性能的影响做了系统的分析。

图1 Ag-In二元相图

2 样品的制备

为研究Ag层对In焊料性能的影响，我们分三次分别在Si基底上用真空蒸发的方法镀覆有Ag层200nm、400nm、600nm的In焊料各三片。对三种样品分别在峰值温度为180℃的空气环境下进行模拟回流处理，所有样品均在峰值温度下保持1min，最后使样品分别在冷风加速冷却、自然冷却和5℃/min的速率下冷却至室温。对所有样品进行扫描电子显微镜表面形态观察和XRD成分分析。

3 结果与讨论

使用X’Pert PRO型X射线衍射分析仪对样品进行了成份分析，得到了三种样品在不同冷却速率下的XRD图谱，如图2～图4。

由图2我们可以看出，在Ag层厚度为200nm时，三种不同的冷却速率下，样品均出现了氧化物In2O3的峰值，说明了Ag层为200nm时，焊料在空气环境下加热发生了氧化，此时的Ag层厚度还不足以防止焊料在空气环境下回流时氧化现象的发生。

在Ag层为400nm的样品中，如图3所示，冷风加速降温和自然降温的情况下，XRD测试中只出现了In和AgIn2的峰值，说明Ag层为400nm时，在上述两种条件下内部的In焊料已得到了很好的保护。但在5℃/min的速率冷却的情况下，仍然看到了In2O3的峰值。

图4为Ag层厚度为600nm时的XRD图谱，从图中可以看到，样品在三种不同冷却速率下，均没有出现In2O3，说明此时Ag层已完全达到在空气环境下焊接而不氧化的效果，但此时的金属间化合物AgIn2的厚度也是最厚的。

图2 200nm Ag层样品XRD图谱

图3 400nm Ag层样品XRD图谱

图4 600nm Ag层样品XRD图谱

为进一步研究样品的特性，使用JSM-6700F型扫描电子显微镜（SEM）对样品进行了表面形貌的观察。图5～图7为样品的SEM图片，从图中可以看出覆盖有Ag的焊料颗粒间隙均很小，从而减少了LD管芯焊接过程中焊料空洞的产生。通过仔细观察可以发现，随着降温速率的减小，焊料表面的颗粒逐渐变大。在冷风加速冷却时所产生的焊料表面颗粒是最细密的，因为冷却速率增大，形核率增加，但长大速度变小，这与金相理论相吻合，所以可以得到致密性较好的表面，从而改善了焊料的湿润特性[1,10]。

冷却速率过慢，Ag和In有充分的时间相互扩散、形核并生长成较大的晶粒。并且冷却速率过慢，可使焊料底部In焊料通过液体间的扩散而扩散到Ag层上面，与氧气接触而氧化，这也是图3氧化物峰值出现的主要因素。

图5 200nm Ag层样品SEM图片

4 总结

图6 400nm Ag层样品SEM图片

本文通过对覆盖不同厚度Ag层的In焊料的研究，得到了覆Ag层In焊料性能的影响。通过以上讨论可知：Ag层过薄，对内部In焊料的保护作用不明显；而Ag层过厚，在焊接界面形成的金属间化合物（IMC）过多，IMC层过厚会增加焊接表面的脆性，从而影响焊接的可靠性，导致器件的使用寿命降低[11,12]。焊料在使用的过程中，冷却速率也是影响焊接质量的关键因素，由SEM图片可以看出，较快的冷却速率有利于形成致密且均匀的焊料颗粒，对提高焊点性能有很大帮助。综合以上因素并从生产工艺方面考虑，厚度为400nm的Ag层可作为提高In焊料性能的最优选择。

图7 600nm Ag层样品SEM图片

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