Ni-P层P含量对Sn3.0Ag0.5Cu/薄ENEPIG焊点界面反应及剪切性能的影响

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化学镍钯金(Electroless nickel/electroless palladium/immersion gold,ENEPIG)是对电路板及微电子芯片进行表面处理以提高焊接性能的重要工艺。传统ENEPIG体系中Ni(P)厚度较厚(4-7μm),在应用中存在电阻过大,电信号退化以及潜在的桥连问题。因此,开发薄的ENEPIG以替代传统ENEPIG已成为封装应用中亟待突破的问题。目前,Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305)焊料综合性能较好,是应用最为广泛的商业无铅焊料。然而,SAC305/薄ENEPIG的界面反应中,Ni(P)层在回流后会耗竭,金属间化合物(Intermetallic Compound,IMC)生长快,不利于焊点的导电性及机械可靠性。目前,研究者们主要通过改变Pd(P)层的厚度及其P含量来减缓Ni-P层的消耗,而从改变Ni-P层的成分方面来减缓Ni-P的消耗仍有待研究。本文采用化学镀工艺制备了系列Ni-P层,P含量分别为7%、9%、13%wt%的三种薄ENEPIG,通过比较不同回流时间及老化后SAC305/薄ENEPIG界面IMC的生长及结构形貌,分析了Ni-P层P含量对于界面反应的影响;同时比较了不同回流时间及老化后的SAC305/薄ENEPIG的焊点剪切强度及断口形貌,分析了Ni-P层的P含量对于剪切性能及断裂方式的影响。Ni-P层P含量分别为7%时,抑制扩散效果最佳。在回流后,Ni-P层P含量分别为7%、9%、13%的SAC305/薄ENEPIG焊点界面生成了不同形貌的(Cu,Ni)6Sn5晶粒。当Ni-P层P含量为7%时,在回流80 s之前界面生成了细小的针状(Cu,Ni)6Sn5;随着回流时间延长,Ni含量提高,转变为棒状及块状晶。而9%、13%的SAC305/薄ENEPIG焊点界面在回流初期就生成了生成棒状及块状(Cu,Ni)6Sn5。此外,在回流80 s之前,Ni-P层P含量分别为7%的SAC305/薄ENEPIG焊点的焊料中形成针状及块状的(Cu,Ni)6Sn5,并随着回流时间延长,Ni向焊料中充分扩散,提供更多形核点,晶粒不断细化。而在回流20 s后,Ni-P层P含量为9%、13%的焊点的焊料中形成细小的块状(Cu,Ni)6Sn5,这意味着P含量为9%、13%的Ni-P层中的Ni扩散较快。在回流160 s后,Ni-P层P含量分别为7%、9%、13%的SAC305/薄ENEPIG焊点在Cu基体中生成Cu6Sn5,界面形成了(Cu,Ni)6Sn5/Cu6Sn5双层结构。在老化后,IMC晶粒长大,晶界融合,SAC305/薄ENEPIG焊点界面生成了连续的(Cu,Ni)6Sn5,其中回流160 s的焊点界面中的(Cu,Ni)6Sn5/Cu6Sn5转变为单层(Cu,Ni)6Sn5。这是因为老化前界面分散的(Cu,Ni)6Sn5无法抑制焊料中Sn向基体扩散,因而底部Cu6Sn5不断长大,同时抑制了基体中Cu向焊料中扩散,从而减缓顶部(Cu,Ni)6Sn5生长。因此,在老化中Ni充分扩散后,底部的Cu6Sn5转变为(Cu,Ni)6Sn5。在回流后,Ni-P层中P含量为7%的SAC305/薄ENEPIG焊点的韧性随着回流时间延长提高,而Ni-P层中P含量为9%、13%的SAC305/薄ENEPIG焊点的韧性随回流时间延长降低。在老化后,Ni-P层中P含量为7%的焊点随回流时间延长,焊料中形成更多粗大的晶粒,断裂发生在焊料内部,焊点的剪切力下降。而当Ni-P层中P含量为9%、13%的焊点随回流时间延长,其剪切力变化趋势与回流后基本一致,断裂主要是发生在焊料内部的韧性断裂及SAC305/(Cu,Ni)6Sn5界面的韧脆混合断裂。因此,当Ni-P含量为7%时,SAC305/薄ENEPIG焊点老化前及老化后都展现出良好的韧性。
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