LTCC表面金屬化的可焊性研究-基礎(chǔ)電子

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摘要：采用還原氣氛焊接，研究了LTCC基板的表面金屬化工藝對In-Sn、Pb-Sn和Au-Sn焊料可焊性的影響。結(jié)果表明厚膜燒結(jié)的PdAg導(dǎo)體可焊性較差，In-Sn和Pb-Sn焊料在其表面分別出現(xiàn)了不潤濕和溶蝕現(xiàn)象。通過對LTCC基板表面導(dǎo)體進(jìn)行電鍍改性，Cu/Ni/Au鍍層提高了Pb-Sn和Au-Sn焊料的可焊性，而Cu/Ni/Sn鍍層則提高了In-Sn和Pb-Sn焊料的可焊性。，對提高可焊性的因素進(jìn)行了討論。

1引言

新一代相控陣?yán)走_(dá)作為高新電子武器裝備的骨干，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中不可缺少的一員。一部相控陣?yán)走_(dá)少則數(shù)百個、多則幾千個乃至上萬個多芯片微波組件，其性能的好壞直接影響相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)。因此，多芯片微波組件不僅要求有高功率、低噪聲和高精度移相、衰減等優(yōu)良的電性能指標(biāo)，同時還要求幅相一致性好、可靠性高等。

微波組件接地不良會引起電場畸變，導(dǎo)致幅頻持性變化乃至自激。接地不可靠是造成電路性能不穩(wěn)定和變化的主要原因。微波電路基板采用面焊接技術(shù)，把基片釬焊到電路盒體是的接地方案。

而釬透率直接反映接地效果，是整個技術(shù)的重要指標(biāo)。電路基板的大面積接地釬焊的缺陷對微波電路的性能影響較大，通過工藝過程中采取相應(yīng)措施，減少釬焊缺陷，提高釬焊的釬透率，保證微波電路基板接地的一致性和可靠性。

本文以某型雷達(dá)中的多芯片微波組件為研究對象，通過改變LTCC的表面金屬化方式和焊料，開展基板可焊性工藝技術(shù)研究，進(jìn)而實現(xiàn)多芯片微波組件中電路基板的高一致和高可靠的釬焊工藝。

2實驗材料與方法

由于組件或模塊組裝過程中可能會經(jīng)歷多次焊接，為了消除后道焊接對前道組裝的影響，前道的組裝溫度必須比后道焊接溫度高。為了滿足組裝需求，開發(fā)出多種熔點(diǎn)的共晶焊料。本文分別采用低溫、常溫和高溫區(qū)間對應(yīng)的典型Sn基焊料InSn、PbSn和AuSn,具體成份和熔點(diǎn)如表1所示。

InSn合金是一種典型的低熔點(diǎn)合金，具有較好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，其熔點(diǎn)僅為117℃，且與常見的金屬化層具有較好的潤濕性。PbSn合金以其優(yōu)異的電學(xué)和力學(xué)性能、合理的熔點(diǎn)及低廉的價格被廣泛應(yīng)用于電子裝聯(lián)領(lǐng)域，其熔點(diǎn)為183℃，在絕大多數(shù)電子元器件承受的溫度范圍內(nèi)，因此，PbSn焊接又稱為常溫焊接。AuSn合金為典型的高溫焊料，其具有較好的力學(xué)性能、焊接無需助焊劑且鋪展性能較好，熔點(diǎn)達(dá)到280℃。

LTCC基板采用DuPout951生瓷片和PdAg漿料作為導(dǎo)體，經(jīng)過沖孔、絲網(wǎng)印刷、填孔、疊層和等靜壓等工藝后，經(jīng)850℃共燒而成。LTCC表面改性則采用電鍍工藝，分別在其接地面上依次電鍍Cu、Ni和Au層。

采用的釬焊設(shè)備為還原氣氛燒結(jié)爐。按照LTCC基板的形狀裁出In-Sn和Pb-Sn焊片和Au-Sn焊片，將裝配好焊片的LTCC基板放置于燒結(jié)爐的熱臺上，關(guān)閉爐門后根據(jù)圖1中的溫度和氣氛設(shè)置進(jìn)行焊接。

為了防止焊接過程中焊料的氧化，升溫前采用抽真空、充氮?dú)膺M(jìn)行循環(huán)，進(jìn)而降低爐腔內(nèi)的氧氣和水蒸氣等有害氣體。為了減小升溫對焊接件的熱沖擊，在升至一定溫度后，保溫并通入還原氣氛。當(dāng)熱板升溫至焊接溫度，保溫3min,后采用氮?dú)膺M(jìn)行冷卻。待爐內(nèi)溫度降至50℃以下后，打開爐腔，取出焊接件。通過尺寸精度測量儀對LTCC基板進(jìn)行拍照，觀察焊料在LTCC金屬化層上的潤濕和鋪展情況，通過測量焊料的鋪展面積與LTCC基板焊接面積的比值，將LTCC基板可焊性分為優(yōu)、良、中和差四等，具體劃分如表2所示。

3實驗結(jié)果與分析

圖2為InSn、PbSn和AuSn焊料分別在PdAg、Cu/Ni/Au和Cu/Ni/Sn金屬化層上的潤濕面積比。由圖可知，PdAg導(dǎo)體上潤濕性面積比都較小，而電鍍Cu/Ni/Au和Cu/Ni/Sn后，焊料的潤濕性明顯提高。

LTCC基板的可焊性主要取決于焊料在其表面金屬化層上的潤濕和鋪展，根據(jù)表2對可焊性的劃分可知，焊料在不同金屬化層上的可焊性如表3所示。

由表可知，LTCC表面原始燒結(jié)層PdAg耐焊性差，不適宜進(jìn)行組裝焊接。而Pb-Sn焊料對PdAg導(dǎo)體產(chǎn)生了嚴(yán)重的溶蝕行為，PdAg導(dǎo)體被局部完全溶解而露出LTCC上的接地孔，如圖4所示。

焊料在金屬化層表面潤濕時，滿足楊氏方程：

當(dāng)θ=0時表示焊料在母材表面完全潤濕；當(dāng)θ=180°時表示焊料在母材表面完全不潤濕。本研究中InSn焊料在PdAg導(dǎo)體上呈規(guī)則的球形，如圖3所示。此時θ=180°，低溫焊料In-Sn在厚膜導(dǎo)體PdAg上呈球狀，表現(xiàn)為典型不潤濕。PbSn焊料與PdAg具有較好的潤濕性，PdAg漿料中Pd的含量僅為15%左右。當(dāng)溫度為232℃時，盡管Pd在PbSn焊料中的熔解速率僅為0.036μm/s,但主要成份Ag在PbSn焊料中的溶解速度達(dá)到1.11μm/s,且焊接時間為180s,而厚膜PdAg的厚度僅為20μm左右，故本研究中PbSn焊料對PdAg導(dǎo)體出現(xiàn)了溶蝕現(xiàn)象。

為了提高LTCC基板的可焊性，通過表面改性對LTCC基板進(jìn)行電鍍，鍍層分別為Cu/Ni/Au和Cu/Ni/Sn.Cu層是為了提高表面鍍層與PdAg導(dǎo)體的附著力，Ni層主要作為阻擋層，而表面Au和Sn層則主要是為了防氧化且提高焊料的潤濕性。由表3可知，Cu/Ni/Au鍍層顯著提高PbSn和AuSn焊料的可焊性。

Au很容易溶解于PbSn等焊料，但阻擋層Ni則幾乎不溶于PbSn焊料，同時與Ni層形成金屬間化合物，進(jìn)一步阻止了焊料對金屬化層的溶蝕。InSn合金主要是由于焊接溫度較低，對Au層的熔解效果較差，且生成金屬間化合物也比較困難，故可焊性較PbSn和AuSn焊料差。

由于Sn的熔點(diǎn)僅為232℃，且為焊料的主要成份之一，故InSn和PbSn焊料與Sn鍍層具有較好的親和力，且焊接過程中，也能夠與Ni形成不溶于焊料的金屬間化合物，故Cu/Ni/Sn鍍層則提高了InSn和PbSn焊料的可焊性。而AuSn焊料的可焊性不佳可能是由于AuSn焊料的焊接溫度較高，在AuSn焊料融化前，NiSn之間產(chǎn)生冶金反應(yīng)生成大量的NiSn金屬間化合物，而無法與AuSn焊料之間進(jìn)行潤濕鋪展，故采用AuSn焊料的Cu/Ni/Sn鍍層可焊性較差。

綜上所述，影響LTCC基板可焊性的主要因素有：（1）金屬化層上焊料需具有良好的潤濕和鋪展性能；（2）焊料對金屬化層具有較小的熔解速率；（3）焊料與鍍層之間必須具有匹配的焊接溫度，進(jìn)而才能獲得較好的界面連接狀態(tài)。綜合考慮電鍍工藝的穩(wěn)定性及成品率，終選擇LTCC表面鍍Cu/Ni/Sn和鉛錫焊料組合進(jìn)行LTCC基板的焊接方法，實驗結(jié)果如圖5所示，焊接的釬透率達(dá)到了95%以上，工程應(yīng)用結(jié)果與實驗結(jié)果吻合。

4結(jié)論

通過對金屬化方式和焊料對LTCC基板可焊性的研究，獲得主要結(jié)論如下：

（1）LTCC共燒的厚膜PdAg導(dǎo)體可焊性較差，In-Sn和Pb-Sn焊料在其表面分別出現(xiàn)了不潤濕和溶蝕現(xiàn)象。

（2）通過對LTCC基板導(dǎo)體進(jìn)行電鍍改性，Cu/Ni/Au鍍層提高Pb-Sn和Au-Sn焊料的可