Sn_Ag_Cu焊料中金属间化合物对焊接性能的影响
第5期 电子元件与材料 V ol.25 No.5 2006年5月 ELECTRONIC COMPONENTS & MATERIALS May 2006
Sn-Ag-Cu 焊料中金属间化合物对焊接性能的影响
李宇君，杨道国，秦连城，罗海萍
（桂林电子工业学院机电与交通工程系，广西 桂林 541004）
摘要: 讨论了Sn-Ag-Cu 焊料与Cu 焊盘间在回流焊过程中形成的金属间化合物（IMC ）的种类、形态，Ag 含量和Cu 含量对IMC 的影响，IMC 在老化过程中的生长演变及其对焊接性能的影响。结果表明：Sn-Ag-Cu 焊料与Cu 焊盘之间的金属间化合物主要是Cu 6Sn 5和长针状的Ag 3Sn ，Ag 和Cu 的添加对组织有明显细化作用，但过量添加会影响IMC 的性能。IMC 的演变主要是与老化温度、老化时间有关，较厚的IMC 不利于焊接性能的提高。
关键词: 金属材料；金属间化合物；综述；无铅焊料；焊接性能
中图分类号: TN604；TG42 文献标识码:A 文章编号:1001-2028（2006）05-0007-02
Effect of the IMC in Sn-Ag-Cu Solders on Soldering Properties
LI Yu-jun, YANG Dao-guo, QIN Lian-cheng, LUO Hai-ping
(Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)
Abstract : The kinds, morphology of the intermetallic compound (IMC) formed in the Sn-Ag-Cu solder and copper pad interface during reflow soldering, and the effect of the Ag and Cu content on IMC, the evolution of the IMC in aging, and the effect of IMC on the properties of the joint were discussed. The results show that the IMC formed in the Sn-Ag-Cu solder and copper is mainly Cu 6Sn 5 and Ag 3Sn, Ag and Cu is available to the microstructure of IMC, but excessive content is harmful to IMC. The evolution of IMCs is related to the aging temperature and aging time. The thicker IMC is bad for the properties of IMC.
Key words : metallic materials; IMC; review; Pb-free solder; soldering properties
Sn-Pb 焊料以其优异的性能和低廉的成本，一直得到人们的重用，现已成为电子组装焊接中的主要焊接材料，但众所周知铅及其化合物属于有毒物质，长期使用会给人类生活环境和安全带来较大的危害。从保护地球村环境和人类的安全出发，限制使用甚至禁止使用有铅焊料的呼声越来越强烈，这种具有悠久应用历史的Sn-Pb 焊料，将逐渐被新的绿色焊料所替代。Sn-Ag-Cu 系的合金具有良好的可靠性和可焊性，因此成为电子工业界关注的焦点。尽管如此，由于各国推荐的Sn-Ag-Cu 合金的成分比例不同，需要了解足够多的相关知识，以确定最适合推广应用的Sn-Ag-Cu 焊料比例。笔者研究回顾了回流焊过程中，焊料接合部产生的各种IMC （金属间化合物）的种类，形态和其在
焊料中的分布，讨论了IMC 对焊接力学性能和断裂机理的影响，这些对选择最优焊料有着很重要的作用。
1 再流焊工艺中形成的金属间化合物
Sn-Ag-Cu 焊料合金有着良好的共晶结构，图1为一典型Sn-Ag-Cu 无铅焊料在Cu/OSP 界面上形成的界面金属间化合物形貌。由图1可知，焊料的一侧为其中界面上连续层为Cu 6Sn 5而焊料中的长针状IMC 为Ag 3Sn [1]。
对金相微切片制备的样品进行进一步腐蚀，可以观察IMC 的三维形貌。图2为取之于文献的经过腐蚀后的金属间化合物形貌。从该图可见，金相微切片中观察到的针状IMC 实际上有可能成为板块状。
收稿日期：2005-12-05 通讯作者：杨道国
基金项目：国家自然科学基金资助项目（批准号：60166001） 作者简介：杨道国（1963—），男，广西桂林人，教授，从事微电子组装封装可靠性研究。E-mail: d.g.yang@wbmt.tudelft.nl ；李宇君（1981—），女，
陕西蒲城人，研究生，研究方向为微电子组装封装技术。Tel: 134********; E- mail: xiaohe977@https://www.wendangku.net/doc/c618286297.html, 。
综 述
REVIEW
图1 Cu焊盘Sn-Ag-Cu焊料界面图2 腐蚀观察板状Ag3Sn
IMC典型形貌照片金属间化合物照片Fig.1 The photography of IMC Fig.2 The photo of platelike Ag3Sn between Coppe r pad and Sn-Ag-Cu solder IMC after corrosion
2 Ag含量和Cu含量对金属间化合物的影响
在Sn-Ag-Cu合金中，不同的Ag和Cu含量会影响到焊接性能，Ag的添加可以降低焊料的熔点同时可以提高焊料的润湿性能和连接强度。Ag与Sn反应形成如图1所示的长针状的Ag3Sn，合金中随着Ag含量的增加，Ag3Sn组织结构呈细微的状态，合金强度逐步上升到组成共晶时，也就是Ag含量在3.5%时强度可达到最高，其组织与细微化相对应。此时，Sn-Ag-Cu合金接近共晶状态或易形成良好的共晶组织，但是Ag含量超过3.5%就会形成过共晶状，就会出现明显的劣化，产生数十μm的金属化合物，将会引入尺寸面的龟裂，Ag的含量越高，生成的片状Ag3Sn越大，也越多。当焊点承受热机械应力时，这种粗大的Ag3Sn会严重影响焊接处的力学性能[2]。因此Ag的最佳含量为3.2%~3.5%。
Cu的添加对合金组织尤其是对先析出富Sn相具有明显的细化作用，随着Cu加入量的升高，这种细化作用一直持续，在Cu含量达到1.2%左右，这种细化作用达到一个极值，而后，继续添加Cu元素则晶粒又变得粗大。甚至出现了多边形的块状化合物Cu6Sn5，由于化合物相为脆性相，它在合金中的过度长大，会给合金的性能带了负面的影响，同时，由于组织中化合物相的长大和增多，对润湿性能造成不利的影响。因此，在过共晶状态下Cu含量增加引起组织恶化和焊料性能下降，主要是由于Cu6Sn5块状化合物在组织中形成的缘故。同时，Cu含量的增加，会使焊料合金熔点显著上升，这也是高熔点化合物Cu6Sn5相增多而导致的，因此，综合来看，Cu的含量不宜超过1.2%，而最佳为0.7%附近[3]。
3 IMC在老化过程中的生长演变
焊接完成后，焊点的组织结构的稳定性在后期的服役条件下对电子元器件是很重要的，金属元素在不同基板上具有不同的扩散能力，而IMC的分布主要是由焊料合金成分与金属元素的扩散能力决定的[4]，经研究发现，IMC的增长厚度与时间的平方根是成正比的，符合以下公式：
Dt
d
d+
=
式中：d0为IMC的初始厚度；d为IMC增长后厚度；t为老化时间；D为金属间化合物生长速率常数[5]。
Sn-Ag-Cu焊料与铜焊盘在回流焊中形成针状的Cu6Sn5化合物。在老化测试中，Cu6Sn5的增长[6]很缓慢，随着老化温度的增加，Cu与Cu6Sn5间出现了Cu3Sn，温度越高，Cu3Sn化合物层越厚[7]，而经过高温老化后，其中的针状Ag3Sn在界面处消失，这种现象产生的原因其实是因为Ag扩散到焊料内部，同时，长时间的老化，会使焊料内部的金属间化合物长得比较粗大，形状看起来异常，这主要是由于界面处的金属间化合物Cu6Sn5接触到焊料中的金属间化合物Ag3Sn，两者合为一体，所以使得界面处IMC从表面看起来形状异常。
由此，可知多种原因造成了无铅焊料化合物层厚度长得较大，因而抑制界面处IMC生长具有重要的意义。
4 IMC对焊接性能的影响
IMC对焊接性能的影响是很复杂的，IMC越厚，焊点在热疲劳测试中越容易失效[8]，通过对焊料的张力测试表明，低Ag含量容易引起柔性断裂，而较高Ag含量容易引起脆性断裂；Ag3Sn的组织越小，越有利于提高焊料的强度。但是，树枝状的Ag3Sn却不利于焊料的性能。大的Ag3Sn的形成会导致焊点的开裂。
焊料的剪切蠕变测试则表明裂纹通常是焊料内部，并沿着Ag3Sn与焊料的界面生长；大的Ag3Sn本身对剪切强度是没有影响的，但是却给裂纹的生长提供了路径，降低了焊点的延展性最终导致脆性断裂。
焊点的失效模式主要是断裂，主要是由于焊点结构和焊点微观组织引起的，裂纹的生成与生长途径主要和焊点结构，焊料成分，基板以及载荷模式相关。Sven Rzerhard[9]通过有限元对CSP器件的应力应变进行分析发现，裂纹通常发生在焊点内部IMC与焊料形成的界面处，在焊料内部接近IMC边界处，IMC层内部，所形成的金属间化合物的作用主要是形成焊料与基板之间的连接，IMC是脆性的，而焊料是软的，微小厚度的IMC都会形成稳固的连接。较厚的金属间化合物在热循环的作用下会引起界面处的应力集中，导致脆性断裂[10]，因此，IMC的厚度增加对于焊点的性能是不利的，扇贝状的IMC有利于提高焊点与基板间的连接强度，多层IMC是在回流和老化中形成的[11]，多层IMC间的结合强度较低，会引起IMC的脆性断
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相反，其每束脉冲辐射的能量很低（≈ 100 mJ/脉冲），但是脉冲的重复频率却很高（10 kHz）。如此以来，被脉冲辐射所激发出来的分子是以近乎连续的微小脉冲的方式沉积到基板上的，所以使得这种方法同时具有MBE（连续）及PLD（脉冲）的优点。研究结果显示，用这种快速脉冲激光沉积（FPLD）所长出的ZnO薄膜，其品质确实比用准分子激光辐射所长出的样品更好、更稳定。
2结束语
由于在合成的过程中允许有较高的氧分压，所以，脉冲激光沉积方法是一种合成氧化物的有效方法。笔者综述了采用PLD法制备的ZnO薄膜的结晶质量、光学和电学性质可以通过衬底温度、退火温度、背景气氛压力、薄膜厚度、沉积时间、衬底、激光能量密度和重复频率等因素来进行控制。
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（编辑：朱盈权）
（上接第8页）
裂。总之，断裂总是发生在微观结构最薄弱的地方，并在老化过程中强度急剧下降。
5结论
（1）Sn-Ag-Cu焊料与Cu基板间形成的金属间化合物主要是Cu6Sn5和Ag3Sn。
（2）Ag和Cu的含量会对焊点的焊接性能产生影响，Ag的含量为3.5%时，其组织的细微化程度最好，但超过这个比例后，会使其组织明显劣化，严重影响焊点的连接强度。Cu 的过量添加，会使焊料的润湿性能下降，Cu的最佳含量是0.7%。
（3）IMC的厚度在老化过程中，与时间的平方根呈正比，老化温度增高，Cu焊盘与Cu6Sn5间会出现Cu3Sn，温度越高，Cu3Sn化合物层越厚。长时间的老化，会使得界面处IMC从表面看起来形状异常。
（4）焊点失效的模式主要是断裂，主要是沿着IMC与焊料形成的界面处。参考文献：
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（编辑：尚木）