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张威王春青阎勃晗
(哈尔滨工业大学)
摘要：
对激光软钎焊下AuSn钎料与Au和Au/Ni金属化镀层界面形成的金属间化合物进行SEM及EDX分析，并讨论激光输入能量对界面金属间化合物演变规律的影响。研究结果表明：在激光加热及快速冷却条件下，Au迅速溶解到界面附近的钎料中，使得成分偏离共晶点，界面处生成稳定的Au5Sn；随着激光功率及加热时间的增加，未完全溶解的Au层变薄，Au5Sn向钎料内部长大。
AuSn钎料合金由于其连接强度高，抗蠕变性能及抗腐蚀性能好，具有良好的热传导性并且可以用于无钎剂焊接，已成为光电子封装中最常用的钎料之一。光电子封装中光导纤维的直接耦合固定通常采用激光作为钎焊热源。在钎焊之前，硅基板上的焊盘表面要以金作为镀层来防止氧化并促进钎料在焊盘上的润湿铺展，从而保证可焊性。然而，在钎焊过程中Au易溶解到常规的Sn基钎料中或与Sn发生反应在界面处形成脆性相，导致钎焊接头脆化及失效。另外光纤在金属化过程中，需采用镍与金作为镀层，镍与AuSn钎料中的锡也会发生反应，在界面处形成金属间化合物，这样AuSn钎料在镍附近将会发生相的改变。本试验研究AuSn钎料在激光加热过程中与镀层界面的反应机理，分析金属间化合物组织的形成原因，并探究激光输入能量对界面金属间化合物(IMC)形貌的影响规律。
1试验方法
1.1试验材料及设备
试验中采用硅片作为基板，其表层镀有0.2μm的Ti层及2.5μm的Au层，加工成2mm×2mm×1mm的试样。采用成分为SiO2的单模光纤，其表层镀有2.5μm的Ni层和0.2μm的Au层，裸纤直径为μm。采用0.mm厚的片状80Au20Sn钎料，将其切割成1mm×1mm×0.mm的钎料片。
采用JOL-R60型Nd热加焊钎软为作器光激GAY?热源。激光波长为nm，激光最大输出功率为60W。本试验采用脉冲激光输出模式，单脉冲的时间在0~ms内可调，钎焊过程中可以使用多个脉冲加热。激光功率及脉冲时间由计算机软件控制。激光软钎焊系统配有精密控制X-Y工作台以及N2气保护装置。
1.2试验过程
当激光功率及加热时间都适中的情况下，可以得到良好的焊接接头。焊点质量与激光工艺之间的关系如图1所示。
将激光软钎焊后焊点质量良好的试样用牙粉及牙托水塑封起来，依次用#—#—#—#—0#水砂纸沿着垂直界面的方向打磨后，用0.1μm颗粒度的金刚石研磨剂进行抛光，然后腐蚀试样表面以获得金相组织。利用HITACHIS-扫描电镜(SEM)对AuSn钎料与硅片Au镀层界面处及AuSn钎料与光纤Au/Ni镀层界面处的微观组织进行观察，并利用SEM配置的能谱分析仪(EDX)对界面处金属间化合物进行分析。
2试验结果
图2是在激光功率为20W，加热时间为0.6s时焊点横截面SEM照片。从图中可见，钎料/硅片镀层的界面处未完全熔化的Au层的上面存在着连续层状分布的化合物，其上有不连续分布的棒状凸起，并且内部弥散分布着一些深色微区。钎料/光纤镀层的界面处，生成了一层厚度约为1μm的各自独立的短棒状/半球状相，其外部被一薄层浅色相包围。对钎料与硅片Au镀层界面处及钎料与光纤Au/Ni镀层界面处IMC进行EDX测试，结果如图3所示。
图4是AuSn钎料平衡相图。从相图中可知，对于80Au20Sn钎料在钎焊时可能发生的反应为：（1）在℃时发生共晶反应即L→ζ+δ，ζ相的Sn含量在13.9at%~17.6at%之间，δ为AuSn；（2）在℃时发生包析反应即ζ+δ→ζ’，ζ’为Au5Sn。
在激光软钎焊温度下，硅片镀层中的Au迅速向界面处液态钎料溶解并向钎料内部进行一定程度地扩散，使得近界面处钎料达到Au在AuSn钎料中的饱和溶解度。这样，界面处的钎料Au含量增加，使钎料实际成分点偏离共晶点。根据EDX结果并根据相图分析，在随后的冷却过程中，ζ相首先在Au浓度最高的界面处以连续层状析出，温度继续下降，Sn在ζ相中的溶解度下降，富余的Sn在ζ相内析出。当温度继续降低，界面处的ζ相转变为ζ’相-Au5Sn，并随降温过程保留到室温。在界面处存在着较大的基本沿垂直方向的温度梯度，且近界面处钎料中Au的含量仍然较高，ζ’相在一些部位向钎料内部生长，呈现出凸起棒状形貌。
在钎料/光纤镀层界面处，Au已全部溶解到钎料里，形成了少量的ζ’相-Au5Sn。在钎焊温度下有少量的Ni溶解到钎料中与Sn反应生成Ni3Sn4，呈半球状或短棒状，并为事先生成的ζ’相所包围。
3讨论
图5为在不同激光输入能量下钎焊得到的焊点横截面SEM照片。对比图5a和图5b可以看出：在激光功率均为18W时，将加热时间从0.6s延长到1.0s，钎料/硅片镀层界面处ζ’相比较均匀地向钎料内部生长，棒状相更长更粗大。这是由于随着加热时间的延长，Au在AuSn钎料中的溶解速度及溶解度均随之增加。并且由于界面及其附近钎料的温度更高，在随后冷却过程中，温度梯度更大，ζ’相向钎料内部生长形成粗长的棒状形貌。加热时间不变，增大激光功率，ζ’相的形貌也有类似的变化，并且未溶解的金层厚度由图5a中的2μm减少到图5c中1μm。
从图中还可以看出：在棒状ζ’相与连续层状ζ相之间发现了裂纹，部分棒状ζ’相与界面脱离并落入钎料中。棒状ζ’相在界面处折断可能是由于：钎料在激光加热作用下熔化形成钎料接头的过程中，熔融钎料的流动对棒状的ζ’相形成了强大的冲击作用，导致其在根部折断；另外，激光加热过程中大的冷却速率导致界面处存在较高的应力，也会使其折断。界面处存在残留的Au层表明Au元素不能在激光加热1s内完全溶解到AuSn钎料中去。界面处生成的一定量连续的ζ相会提高钎焊接头热稳定性。
4结论
对于AuSn共晶钎料，当液态钎料与镀层金属接触时，在界面处首先发生Au（或Ni）向钎料中的溶解，然后，在快速冷却过程中，钎料/硅片镀层界面处产生大量的Au5Sn。光纤镀层界面有Ni3Sn4化合物的生成，并为一薄层ζ’相所包围。随激光功率的增大及加热时间的延长，钎料/硅片镀层界面处的连续层状ζ相在一些部位产生凸起，并向钎料内部生长成棒状ζ’相；钎料/光纤镀层界面Ni3Sn4化合物向钎料内部也有一定程度地生长。
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