工艺参数对SAC305焊料在镀Ni基板上润湿性的影响

2024-06-21 09:47:01 · 一步步新技术 · 李娇&赵永先

本文通过在中科同志研发生产的真空共晶炉中进行的无铅焊料（SAC305焊片）在镀Ni基板上的润湿性测试，对比焊片在镀Ni基板上的铺展面积，确认工艺参数对SAC305合金焊片在镀Ni基板上的润湿性影响。

结果表明：

①随着回流段峰值温度的升高，焊料的铺展面积逐渐增大，当峰值温度达到为270℃时，焊料铺展面积不再明显变化，且焊料表面无光泽；

②回流段升温速率＞1℃/6s时，SAC305焊片在镀Ni基板上的润湿铺展面积，随着升温速率的降低而增加，即润湿性增加；待升温速率＜1℃/6s时，焊片在基板上的铺展面积不再随着升温速率的降低而明显变化，即润湿性无明显变化。

电子封装可以看作芯片到元器件以及整机系统的骨架，它不仅起着固定、安放、密封、保护芯片和增强热电性能的作用，而且芯片上的接点通过导线连接到封装外壳的引脚上，引脚又通过印制板上的导线与其它器件建立连接，从而实现内部芯片与外部电路的连接。另外，通过封装，芯片可以实现跟外界的隔离，防止空气中的杂质腐蚀芯片。总之，封装提供给元器件一个安全可靠的工作环境，使产品能够稳定工作。

电子软钎焊在电子封装中主要起机械连接、信号传输和系统集成的作用，它是电子工业的关键工艺之一。软钎焊，是指采用熔点低于450℃的填充金属（焊料）在加热温度低于被连接金属（母材）熔化温度的条件下实现金属间冶金连接的一类方法。在钎焊过程中，焊料被加热熔化成液态，通过毛细作用填充钎焊接头的间隙，并在固态母材基板上铺展、润湿、相互溶解与扩散形成界面化合物、结晶凝固形成冶金结合牢固的钎焊接头，从而实现电子元器件与母材两者的电气连接与机械连接。长期以来，软焊料SnPb共晶焊料合金因性能优良、价格低廉、储量丰富等优点而被广泛使用。但铅在正常的焊接温度下容易挥发，人很容易吸入铅蒸汽或含铅的灰尘。

如果在人体内过度积累，会对身体产生严重危害。因此，美国环境保护协会要求电子产业向环境释放铅的含量比过去要低，欧盟也颁布了ROHS法案，规定自2006年7月1日起，欧盟市场上销售的所有电子产品中不得含铅。因此，焊料的无铅化已成为人类的一个共同要求。但由于无铅焊料的润湿性能比SnPb共晶焊料差，因此在钎焊过程中可能会出现焊料的润湿性能不满足要求等问题。

焊料和焊盘之间的润湿程度可以用润湿角θ的大小来表示，如图1所示。液态焊料呈球冠状，并构成一个由固、液、气三相组成的界面体系。当固、液、气三相接触达到平衡时，液态焊料表面自由能应处于最低状态。从三相接触点沿液/气界面作切线，该切线与固/液界面的夹角θ称为润湿角。θ的大小与接触各相的界面张力有关。三相接触点同时受到三个力的共同作用：σs-g 是焊盘与气相表面的界面张力，σs-l是焊盘表面与液态焊料之间的界面张力，σl-g是液态焊料和气相之间的界面张力。

图1 润湿示意图

根据杨氏方程，三相平衡时，其合力为零，可得润湿角 θ 与三个界面张力之间的关系如下：

当液态焊料在焊盘表面处于平衡状态时，三个力之间是相互制约的，σs-g 力图使液面铺展开来，而σs-l和σl-g 则力图使液滴收缩，最终达到平衡。根据式（1.2），当σs-g增大或σl-g 减小都可使润湿角θ减小，铺展面积增大。

近年来，国内外学者对Sn－Cu、Sn－Ag－Cu等共晶合金的润湿性、漫流性进行了较为广泛的研究。相同回流条件下，SnPb 共晶焊料合金的润湿性能明显优于无铅焊料，而在常用的三类无铅焊料中，Sn3.5Ag 焊料的润湿性能最好，SnAgCu 系次之，Sn0.7Cu 最差。就目前常用的Sn3Ag0.5Cu（以下简称SAC305）焊料合金而言，它的润湿角比SnPb共晶焊料大50%，图2为SAC305 焊料合金（添加助焊剂的作用下）在各基板上的润湿角。

图2 SAC305焊球在不同镀层不同温度下的润湿角

从图中明显看出，SAC305在镀Ni基板上的润湿性最差，随着回流温度的升高，焊料的润湿角有减小但变化较小，对实际工艺生产中指导意义较小（一般钎焊时希望焊料的润湿角小于20°）。

通常影响焊料润湿性的因素，除温度外，还有助焊剂、母材表面状态、金属表面氧化物和表面活性物质等。为降低这些因素的干扰，将在真空共晶炉甲酸气氛下进行SAC305焊料润湿性测试的试验。常用的评定润湿性好坏的方法有：

①将一定体积的焊料放在母材上，采取相应的去膜措施，在规定的温度下保持一定时间。冷凝后截取焊料的横截面，测出焊料的润湿角θ，以其大小来评定润湿性的好坏。θ角越小，润湿性越好。

②试验方法同①，但以测出的焊料铺展面积的大小作为评定的尺度。铺展面积越大，焊料的润湿性越好。

③利用T型试件评定焊料的润湿性。取一定体积的焊料放在T型试件的一端的一侧，采取相应的去膜措施，将试件在规定温度下保持一定时间，焊料熔化后可延接头流动。冷凝后测量焊料流动的距离，按其长短来评定润湿性。

④对表面涂覆材料的双层板（覆焊料板）的T型接头，可用流动系数K来表示润湿性。

本文将采用方法②（铺展面积）来评定不同工艺参数下SAC305焊片（无助焊剂）在镀Ni基板上润湿性的好坏，研究工艺参数对SAC305焊料在镀Ni基板上润湿性的影响。

试验

实验采用5 mm×5 mm×0. 1 mm 和10 mm×10 mm×0. 1 mm的SAC305合金焊片（无助焊剂，见图3）（液相线温度为217℃~218℃），分别在同一批次化学镀Ni基板上进行焊料铺展实验。基板在试验前均在真空共晶炉中进行甲酸气氛的还原。

图3 尺寸为5 mm×5 mm×0. 1 mm和10 mm×10 mm×0. 1 mm的焊片

设备型号：V3D冷热分离真空共晶炉（中科同志研发生产）。

试验工艺曲线见图4。

图4 试验工艺曲线

结果与讨论

2.1 不同峰值温度下SAC305焊料的润湿性

图5为SAC305焊料（尺寸：5 mm×5 mm×0. 1 mm）在不同峰值温度（240℃ ~ 270℃）下的铺展形貌，升温速率和峰值恒温时长均相同。由图5可以看出峰值温度为240℃时，焊片熔化后收缩至球状，润湿不良。随着回流段峰值温度的升高，焊料铺展面积增大，呈现出与理论和众多研究结果一致的现象。

当峰值温度达到270℃时，焊料铺展面积不再明显变化，且焊料表面无光泽。说明在一定温度范围以内，SAC305焊料在镀Ni基板上的润湿性随着峰值温度的升高而增加。当峰值温度设置较高时，由于焊料在高温下氧化、碳化等现象的发生，焊料表面无金属光泽，说明峰值温度不能继续增加。虽然焊料的铺展面积有所增加，但相较于焊料的原始尺寸仍是有缩减的，说明仅提升温度不能达到焊料在基板上完全润湿的效果。

图5 SAC305焊料依次在不同峰值温度（240℃ ~ 270℃）下的铺展形貌

回流段不同升温速率下SAC305焊料的润湿性

为明显比较回流段升温速率对SAC305焊料润湿性的影响，回流段峰值温度均设置为240℃，峰值恒温时长相同。图6为SAC305焊料在不同升温速率（1℃/1s ~ 1℃/6、1℃/10s、1℃/15s）下的铺展形貌。

由图6a)可以看出升温速率为1℃/1s~1℃/2s时，焊料铺展形貌均接近球状，当升温速率＜1℃/3s时，随着升温速率的减小，焊料收缩逐渐减轻，开始润湿基板，铺展形貌由球状逐渐趋于四边形，润湿铺展面积逐渐增大，润湿性增大。直至升温速率降为1℃/6s时，焊料的铺展形貌基本保持原焊片尺寸，无明显收缩，说明焊料在基板上已充分润湿。这是因为随着焊料升温速度的降低，焊接面温度与真空共晶炉加热板的升温可以更加同步，且温度相差较小，在温度到达峰值之前，焊料温度更接近液相线，并可以让焊料各点温度更加一致。

在相同的恒温时间和冷却条件下，升温速率越低，焊料在液相线温度以上维持的时间越长，焊接面的温度也会越接近设定峰值，有利于焊料的铺展、润湿。随着升温速率的持续降低，焊料的铺展形貌无明显变化，仍然保持焊片原来的尺寸，见图6b)。说明SAC焊料在镀Ni基板上的润湿是在一定时间内即达到平衡，润湿性不会随着时间的延长而无限制持续明显增大。