《Advanced Engineering Materials》：Au/Pd(P)/Ni(P)表麵精加工印刷電路板上Sn-3.0Ag-0.5Cu球柵陣列元件的強脈衝光焊接及其跌落衝擊可靠性

文獻摘要：

研究了強脈衝光(IPL)焊接作為傳統回流焊接的替代焊接工藝。IPL焊接因其低功耗而適合實現碳中和社會。此外，它在電子器件製造中具有多種優勢，包括熱損傷低
、加工時間短

、適用於大麵積工藝。在此
，化學鍍鎳/化學鍍鈀/浸金表麵處理和使用Sn–3.0Ag–0.5Cu焊料。焊接過程中考慮三個IPL參數：脈衝寬度、脈mai衝chong數shu量liang和he頻pin率lv。使shi用yong配pei備bei電dian子zi探tan針zhen顯xian微wei分fen析xi儀yi的de場chang發fa射she掃sao描miao電dian子zi顯xian微wei鏡jing觀guan察cha界jie麵mian和he焊han料liao基ji體ti的de微wei觀guan結jie構gou。此ci外wai，還hai進jin行xing了le板ban級ji跌die落luo衝chong擊ji測ce試shi，以yi研yan究jiu接jie頭tou的de機ji械xie可ke靠kao性xing。結jie果guo表biao明ming，金jin屬shu間jian化hua合he物wu（IMC）的成分和形貌隨IPL參數的變化而變化，從而顯著影響可靠性。具體而言，與回流焊相比，在最佳IPL條件下，跌落失效次數增加了6.7倍。這是因為裂紋通過焊料基體和不連續的IMC傳播。根據所獲得的結果，基於IPL的焊接是回流焊接的一種有前途的替代方案。

文獻介紹：

微電子封裝行業不斷發展，包括細間距技術、高I/O密度和封裝尺寸的小型化。因此，電子器件在外部負載條件下發生故障的可能性
，例如隨著機械

、熱機械、電氣和熱影響的增加。因此，需要解決電子封裝可靠性問題的技術。

回hui流liu焊han是shi一yi種zhong傳chuan統tong的de焊han接jie方fang法fa，利li用yong熱re空kong氣qi對dui流liu使shi用yong紅hong外wai加jia熱re器qi作zuo為wei熱re源yuan。由you於yu其qi在zai組zu裝zhuang表biao麵mian貼tie裝zhuang器qi件jian方fang麵mian的de有you效xiao性xing，它ta是shi微wei電dian子zi工gong業ye中zhong采cai用yong最zui廣guang泛fan的de方fang法fa。然ran而er
，基ji於yu對dui流liu加jia熱re的de焊han接jie方fang法fa需xu要yao相xiang對dui較jiao長chang的de工gong藝yi時shi間jian，因yin為wei接jie頭tou溫wen度du需xu要yao相xiang對dui較jiao長chang的de時shi間jian才cai能neng飽bao和he到dao峰feng值zhi水shui平ping。因yin此ci，控kong製zhi界jie麵mian反fan應ying是shi具ju有you挑tiao戰zhan性xing的de，需xu要yao回hui流liu焊han的de替ti代dai技ji術shu來lai提ti高gao粘zhan合he可ke靠kao性xing。強脈衝光(IPL)是由氙氣閃光燈係統產生的具有寬波長範圍的脈衝電磁波。靶材料吸收的IPL能量通過光熱轉換效應轉化為熱能。IPL能量在製造電子器件方麵具有熱損傷小、加工時間短、適用於大麵積工藝
、生態友好等優點。由於這些優點，IPL焊接比激光焊接更受青睞，激光焊接是另一種候選技術。此前，大多數研究主要集中在印刷電子產品上，而隻有少數關於IPL焊接和所得焊點可靠性的研究被報道。在此
，我們研究了IPL焊接作為回流焊接的替代技術。 我們使用Sn-3.0Ag-0.5Cu無鉛焊料(SAC305)和通過IPL焊接進行化學鍍鎳/化學鍍鈀/浸金(ENEPIG)表麵處理的PCB形成焊點。與有機可焊性防腐劑和化學鍍鎳/浸金(ENIG)表麵處理相比
，ENEPIG表麵處理有幾個優點。首先
，Au和Pd層可防止電極氧化並增強潤濕性。其次，由於插入的Pd層可以減少Au層的厚度，因此降低了生產成本。第三
，Pd層可保護Ni原子在浸鍍Au過程中不被Au原子取代
，從而導致電偶過度腐蝕（黑墊）。然而，在ENEPIG表麵上進行回流焊接後
，會形成脆性界麵層

，類似於在ENIG表麵上焊接的情況。不僅可以有IMCs（Cu6Sn5
、Ni3Sn4等），還可以有Ni-(Sn)-P層（Ni3P
、Ni2P
、Ni2SnP等）。在這項研究中

，我們使用IPL焊接成功控製了SAC305焊料和ENEPIG表麵光潔度之間的界麵反應。此外，我們研究了界麵反應層的形成和粘合可靠性。

文獻中光子燒結部分：

圖1顯示了IPL焊接接頭的示意圖。焊接過程結束後形成了界麵反應層。界麵反應層的詳細示意圖將在後麵展示。

焊接接頭的橫截麵顯微圖如圖2所示。每種IPL條件的溫度分布圖也顯示在圖S1，支持信息中。焊點的整體形狀如圖2a-e 所示，f-j顯示了每個焊點底部的界麵微觀結構。IMC的形貌隨IPL條件，特別是輸入能量的不同而變化。在低IPL能量(299.1J/cm²)下
，獲得了連續的薄層IMC結構(圖2f,i)。然而

，在高IPL能量(359.1J/cm²)的界麵結構中
，不連續的多邊形型IMC占主導地位(圖2g,h)。回流焊形成的接頭的界麵結構與IPL接頭的界麵結構不同（圖2j）。IMC是連續的

，並顯示出兩種類型的形態：多邊形和針狀類型。此外，Ni(P)層和IMC之間還形成了另一個薄層
，這在其他條件下很少觀察到。該層是ENIG（或ENEPIG）焊點的典型結構，推斷為Ni-(Sn)-P層。Ni-(Sn)-P化合物有多種（例如Ni2P、Ni3P、Ni12P5和Ni2SnP）；在本文中，為簡單起見，我們將它們全部稱為Ni-(Sn)-P。

圖5顯(xian)示(shi)了(le)通(tong)過(guo)模(mo)切(qie)試(shi)驗(yan)獲(huo)得(de)的(de)每(mei)個(ge)焊(han)點(dian)的(de)剪(jian)切(qie)強(qiang)度(du)。焊(han)料(liao)基(ji)體(ti)的(de)微(wei)觀(guan)結(jie)構(gou)比(bi)界(jie)麵(mian)反(fan)應(ying)層(ceng)的(de)微(wei)觀(guan)結(jie)構(gou)更(geng)重(zhong)要(yao)
，因(yin)為(wei)由(you)於(yu)低(di)應(ying)變(bian)率(lv)衝(chong)擊(ji)而(er)導(dao)致(zhi)的(de)斷(duan)裂(lie)發(fa)生(sheng)在(zai)基(ji)體(ti)內(nei)部(bu)。此(ci)外(wai)，低(di)能(neng)IPL條件下形成的接頭表現出較低的強度。這是因為很少形成誘發析出硬化的細小AgSn₃析出物。當塑性變形發生時，硬析出物作為位錯的釘住位點(Orowan機製)。然而

，在本文中
，由於沉澱不足

，分散的AgSn的體積分數受到限製，導致接頭的強度相對較低。在高能IPL和回流條件下，細小的AgSn析出物在焊點中分布良好。Orowan應力，即位錯跨越非共格硬析出相所需的應力，與顆粒間距成反比。隨著細AgSn析出相在接頭中形成的增多，間距減小
，Orowan應力增大。因此，位錯運動受到抑製，提高了接頭的強度。

文獻結論：

在這項研究中，我們研究了IPL焊接點的界麵反應及其跌落衝擊可靠性。使用IPL能量成功形成堅固的焊點。根據FESEM和EPMA分析，反應產物的種類和形貌隨輸入能量的變化而變化。采用低能IPL，由於Au和Pd(P)層不完全溶解
，在界麵處形成了薄層(Pd,Au)Sn₄IMC。純銀保留在焊料基體中，表明Ag₃Sn沉澱不足。隨著輸入能量的增加，(Pd,Au)Sn₄IMCs溶解在熔融焊料中後觀察到不連續的(Cu,Ni,Pd,Au)₆Sn₅IMCs。還觀察到典型的β-Sn和Ag₃Sn網絡結構。為了研究輸入能量對界麵微觀結構和相應可靠性的影響，我們增加了焊接脈衝數。在界麵處形成包含(Cu,Ni,Pd,Au)₆Sn₅和(Ni,Cu,Pd,Au)₃Sn₄的連續IMC。正如板級跌落衝擊測試所示，由於焊點脆性
，它們降低了焊點的可靠性。在用最小IPL能量(n=30)形成的接頭中，裂紋沿著脆性(Pd,Au)Sn₄IMC傳播。形成不連續的IMC後
，裂紋通過焊料基質和IMC傳播。隨著脈衝數量（或輸入能量）的增加
，裂紋通過連續的脆性IMC傳播，從而減少了跌落失敗的次數。總之，通過IPL焊接成功地控製了焊點的微觀結構和機械可靠性。因此，IPL焊接是回流焊的一種有前途的替代方案

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adem.202201635

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