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    厚膜Ag/Pd導體熱老化附著力下降機理的研究

    來源:西安欣貝電子科技有限公司 作者:超管 時間:2021/8/25 11:33:04 瀏覽:970 << 返回

       

    Ag/Pd導體由于其成本低、工藝簡單而被廣泛用于厚膜混合集成電路,相應的電路與外部元件、電路輸入輸出短頭的焊接,目前廣泛采用的是低熔點的63Sn/37Pb焊料。

    焊料與Ag/Pd導體之間的結合力,是厚膜混合集成電路的一個重要參數。Ag/Pd導體與Sn-pb焊料之間的結合力在熱老化過程中的下降現像是廣為人知的,這里我們對這種現像發生的機率及可能性進行研究。

    假設不含錫的焊料與導體的結合力在熱老化過程中不發生變化,我們采用測彈性法,對熱奧華過程中Sn擴散到Ag/Pd導體中形成金屬互化物后,導體中的應力變化進行研究。

    實驗順序

    本實驗主要采用下面兩種Ag/Pd厚膜導體進行測試:導體、導體B。其中導體A是一種含Pd15%的大批生產出售的產品,導體B是一種最近開發研制成功的含Pd10%的Ag/Pd導體漿料。

    所有Ag/Pd導體均印刷、燒結在96%AL2O3的基片上。

    1.        測試樣品附著力

    采用2mm×2mm的圖形印刷、燒結導體,然后將導體在230℃的63Sn/37Pb焊接中浸15秒,再用烙鐵將引線焊接到導體上。

    2.        擴散測試、X-射線銜射分析

    在96%Al2O3基體上分別印刷道題A和B,再用15mm×15mm的圖形,燒結膜厚10~15μm。

    另外兩種不同Pd含量的Ag/Pd導體亦用同樣的方法進行制備、測試。

    樣品C、D采用與樣品A、B相同的方法制備。樣品的燒結條件是:850℃峰值10分鐘,燒結1次,再在峰值500℃、燒結1次。

    樣品分別在不同條件的63Sn/37Pb焊料中浸焊,即230℃的焊料中浸5秒、230℃的焊料中浸30秒、270℃的焊料中浸5秒,焊劑采用田中化學研究實驗室的產品。

    以上浸焊的產品加熱至150℃,保持100小時,進行熱老化試驗,230℃的焊料溫度是厚膜導體最常用的浸焊溫度。浸270℃的焊料是為了研究焊料溫度對厚膜導體與焊料之間相互擴散效應的影響。

    3.        光測彈性法測試內應力的裝置

    樣品制備:在光滑平整的無定型剝離基片上,印刷、燒結導體。再在融熔的230℃的焊料中浸焊,導體上焊料厚度0.5mm。

    導體漿料與玻璃基片及96%AL2O3基體兩者之間的相互作用不同,但采用玻璃幾篇適合于測試熱老化過程中導體層結合力的變化情況。

    在熱老化過程中,測量玻璃基片上產生的應力以確定導體層提及的變化。圖1所示的是測試裝置的光路圖。通過一光度盤測量原有的作用力,在通過—1/4波長的光度盤及光分析儀,測量應力的大小。

    由于物理作用,玻璃幾篇施加到導體層上的反作用力即可觀察到。

    綜述

    1.        附著力

    圖2所示的是老化試驗前、后的附著力測量結果。圖2表明,老化24小時以后的附著力明顯小于初始值。

    2.        Ag/Pd導體與Sn-pb焊料之間的擴散

    導體膜樣品A、B、C、D分別在不同的條件下進行浸焊,然后分別取齊縱切面,采用電子探針進行觀察,每個樣品老化前和老化后的X-射線衍射結果如圖3-5所示。導體C和導體D的X-射線衍射途中,只能看到Pd、Ag、Sn。


    浸焊條件—230℃、5秒

    如圖3所示,浸焊后的Ag/Pd導體中的Ag和Pd壽險移動到焊料一側。其中導體D中的擴散現像最明顯。樣品進行老化的過程中,焊料中的Sn、Pd向基片方向擴散,導體中的Ag、Pd以同樣的速度向焊料一側擴散,從而引起導體層的膨脹。最明顯的是導體D膜厚膨脹到原來的4倍。在這種情況下可以觀察到明顯的Ag粒產生。

    浸焊條件—230℃、30秒

    如圖4所示,可明顯看到導體層中的Ag/Pd濃度比230℃、5秒的浸焊條件下的Ag/Pd濃度低。在浸焊過程中,Sn-pb完全擴散到所有導體中,同時產生Ag粒。結果表明,Pd的擴散速度略比Ag快,導體D中Ag、Pd向焊料中的擴散相當明顯,而導體B中卻相當微弱。盡管Ag、Pd在老化條件下向焊料擴散,但在這種情況下,導體D中的擴散極其明顯,而導體B中卻極其小。

    浸焊條件—270℃、5秒

    如圖5所示,導體層中的Ag、Pd濃度降低。導體B中有少量的Ag、Pd向焊料一側擴散,大部分仍牢固地附著在基片上。

    3.        X—射線衍射分析

    為了進一步研究Sn-pb向導體層中擴散現像,刮去浸焊后導體層上的焊料,然后在此表面上進行X—射線衍射分析。圖6是樣品老化前后典型的X—射線衍射曲線。應該說明的是樣品B的浸焊條件是230℃、30秒。

    結果表明,Sn-pb擴散到Ag—Pd合金中形成金屬互化物Ag3Sn。同時可看出,由于在導體中形成Ag3Sn,Ag—Pd合金的衍射峰降低。值得注意的是,在老化過程中,即使在150℃以下的溫度,亦然可發生一種固相向另一固相的擴散,并形成金屬互化物。除了Ag3Sn外,不會再形成其它互化物,即使改變浸焊條件亦是如此。

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    4.        應力測試

    圖7所示的是老化過程中的張力變化。試驗采用樣品B。

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    討論

    如過早老化過程中阻止Sn向Ag—Pd導體層的擴散,則就不會發生結合力下降的現像。如各種試驗結果所示的那樣,Ag—Pd導體與Sn-pb焊料之間的相互擴散形成金屬互化物Ag3Sn,取決于導體料本身及浸焊條件。只要采用含Sn焊料,這種現像總會發生。

    就導體中的金屬成分而言,Pd的含量越高,Ag、Pd向焊料中的擴散就越容易。

    導體層由于在老化過程中產生Ag3Sn而發生膨脹。

    老化50小時左右應力很大,這意味著什么?是由于施加在導體層的強大張力減弱了玻璃的作用?或者還是其他原因?而且導體與焊料之間的附著力在老化24小時后明顯下降,而最大的應力卻是老化50小時后產生。是什么原因導致這個時間差?這將是下步的研究課題。

    可以肯定,熱老化過程中Sn擴散到導體層中,產生金屬互化物Ag3Sn,引起導體層體積變化,同時產生強大的張力。

    因此認為老化應力的增大引起結合力的下降。

    當Ag/Pd導體燒結到氧化鋁基片上,即可以在氧化鋁基片表面觀察到一個不平整的玻璃相粘結層。這就是說,玻璃在導體與基片的結合力中,起主要作用。Ag—Pd與玻璃接觸處的小面積—射線衍射表名,導體A、B、C、D中不存在結晶相產生。所以可以認為這純粹是物理粘結。

    通過老化附著力測試后的裂片表面可以看到,導體A、B、D的導電粒子與玻璃之間的粘結結構破壞,導體C中的粘結玻璃與幾片之間的粘結結構破壞。

    由于老化過程中導電層內形成金屬互化物,從而引起導體層體積發生變化。這種變化引起導體層負荷增加。

    目前,我們正致力于對玻璃、金屬粉、燒結時間等與導體老化附著力下降之間關系的研究。


    結論

    本文關于Ag/Pd導體與63Sn/37Pb焊料之間關系的研究可以總結為一下幾條:

    1.        導體中的Ag、Pd以相同的速率向焊料中擴散。而且Pd含量越高,擴散速率愈大。

    2.        焊料向導體層擴散,擴散速率取決于浸焊的條件。

    3.        在擴散的同時,焊料中的Sn與導體中的Ag在導體中形成金屬互化物Ag3Sn。

    4.        老化時,Sn擴散到導體層內部,并與Ag—Pd合金中的Ag形成金屬互化物Ag3Sn。同時Ag、Pd又擴散到焊料中,Ag—Pd導體層膨脹。導體中Pd含量越高,膨脹的速率愈大。

    5.        隨著老化時Sn與Ag—Pd合金形成金屬互化物Ag3Sn,導體層發生體積變化,產生內應力。

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