李娇1, 赵永先2

　　（1.北京中科同志科技股份有限公司（以下简称中科同志） 工艺工程师; 2.中科同志 总经理）

摘要: 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。

关键词: 半导体封装; 真空共晶炉; 无铅焊料; SAC305; 润湿性

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[1]。

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[2]。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[3]。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[4, 5]，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[6]。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：

   （1.1）

                  （1.2）

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[7-10]、漫流性[11-14]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°[15]）。

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。

1 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

2 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

2.2 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。

a)尺寸为5 mm×5 mm×0. 1 mm在升温速率（1℃/s ~ 1℃/6s）下的铺展形貌

b)尺寸为10mm×10 mm×0. 1 mm在升温速率1℃/10s和1℃/15s下的铺展形貌

图6 SAC305 焊料在不同升温速率下的铺展形貌

3 结论

1）测试了不同峰值温度对SAC305焊料在镀Ni基板上的润湿性影响，结果表明焊料随着峰值温度的升高润湿性增大，当峰值温度升高至270℃时，焊料的润湿性不再明显增加，且焊料表面无光泽。

2）测试了回流段不同升温速率对SAC305焊料在镀Ni基板上的润湿性影响，结果表明升温速率≥1℃/6时，焊料随着升温速率的降低润湿性增大且可充分润湿；当升温速率再降低至≤1℃/10s时，焊料的润湿性不再明显变化。

参考文献:

[1]R.R.Tummala. Fundamentals of Microsystems Packaging [M]. New York: McGraw-Hill, 2001.

[2]甘贵生 ，刘聪，程翰林，明忠正，高颢洋.无铅SAC0307焊料润湿性与漫流性集成测试［J］.电子元件与材料,2020,39(2);83.

[3]M. Hansen, K. Anderko. Constitution of binary alloys [M]. New York: McGraw-Hill, 1958.

[4]J. Cannis. Green IC packaging [J]. Adv. Packag., 2001 (8): 33-38.

[5]lead-free.org/legislation.

[6]European Parliament. Proposal for a directive of the European parliament and of the council on Waste Electrical and Electronic Equipment and on the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment [J]. COM. 2000: 347.

[7]Y.J.a Liu, T. Li, L.N. Sun. Design of a control system for a macro-micro dual-drive high acceleration high precision positioning stage for IC packaging [J]. Science in China Series E: Technological Sciences, 2009, 52 (7):1858-1865.

[8]John W. Evans. A Guide for Assembly of lead-free electronics [R]. IPC, 2000.

[9]William J.Greig. Integrated Circuit Packaging, Assembly and Interconnections [M]. New York: Springer Science Business Media LLC, 2007.

[10]李荣茂. 浅谈电子封装技术的重要性及发展趋势[J]. Information Technology，2010，(12): 251-253.

[11]郭福. 无铅钎焊技术与应用[M]. 北京: 科学出版社，2005.

[12]K.N. Tu, K.Zeng. Tin-lead (Sn-Pb) solder reaction in flip chip technology [J]. Mater. Sci. Eng. R 2001, 34 (1): 1-58.

[13]M. Hansen, K. Anderko. Constitution of binary alloys [M]. New York: McGraw-Hill, 1958.

[14]J. Cannis. Green IC packaging [J]. Adv. Packag., 2001 (8): 33-38.

[15]钎焊.哈尔滨工业大学出版社[M].