低温共烧陶瓷基板焊盘耐焊性研究

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摘要

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LTCC基板的焊盘耐焊性是决定元器件焊接可靠性的关键因素之一，耐焊性不良会出现焊盘熔蚀、脱落等失效现象。本文基于Ferro材料体系，针对金铂钯焊盘在与Pb37Sn63焊料进行回流焊接时的耐焊性能进行研究，并对其失效机理进行了微观形貌分析。采用剪切力试验对耐焊性进行评价，研究发现金铂钯焊盘的耐焊性主要取决于焊盘金属化层的厚度和回流焊接次数。剪切力随金属化层的厚度增加而增加，随回流焊接次数的增加而减小。结合实际批量加工生产工艺，金铂钯层厚度建议控制在15μm左右，回流次数小于2次。

1 引言

近年来，随着航空航天、通讯技术以及人工智能技术的飞速发展，对电子元器件的多功能、高可靠、高集成方面的要求日益加强。近年来，低温共烧陶瓷技术（LowTemperatureCo-firedCeramic，LTCC）越来越多的应用于T/R组件，以满足其多通道、集成化、小型化和高可靠的需求，TR组件用LTCC基板正面需要为各电路元件（包括芯片、电感、电容、电阻）提供承载面，满足芯片粘接、金丝键合、阻容元件焊接等功能，而背面一般需要满足与盒体或载体的大面积焊接，以实现组件高密度封装要求。金铂钯浆料以其优良的焊接性能和可靠性，被广泛的应用于Ferro材料体系的LTCC基板产品，作为表面阻容等元器件的焊接焊盘，成为低温共烧工艺配套用关键电子浆料之一。本文从焊盘金属化层的厚度、焊接温度等几个方面对金铂钯焊盘在铅锡焊接时的耐焊性能进行了相关研究，进而实现微波组件中LTCC基板的元器件的高可靠焊接。

2 试验材料与方法

金铂钯导体浆料主要由金属粉、玻璃粉和有机载体按一定比例配制而成，烧结过程中玻璃粉末熔化而润湿在金属微粒和基板陶瓷之间，形成中间过渡相，从而实现金属导体同基板瓷体之间的结合。

本文针对金铂钯焊盘在与Pb37Sn63焊料进行回流焊接时的耐焊性能进行研究，试验将三种不同金属化层厚度的金铂钯样品（4mm×4mm×1.3mm）分别标记为系列1，系列2，系列3，对应的金铂钯焊盘金属化层厚度分别为系列1：9～11μm，系列2：14～16μm，系列3：18～20μm，三种系列样品各20只，将20只样品平均分为5组，用Pb37Sn63焊料将样品焊接到碳硅铝基片表面，见图1所示，1～5组样品分别经历1～5次回流焊试验，试验后，依据GJB548B方法2019.2芯片剪切力强度的规定，对焊接好的试验件进行剪切力试验。

3 结果与分析

分别对比了三个系列各5组样品的剪切力数据，具体方案和剪切力结果见表1。

为了便于分析，我们将3个系列的5组试验结果的剪切力平均值绘制成曲线，横坐标为回流焊次数，纵坐标为剪切力数值，单位为Kg，曲线见图2所示。

由图2可见，第一，增加金铂钯焊盘金属化层的厚度，可以增强金铂钯焊盘的耐焊性能，在焊接时，金属层厚度偏薄的话，不能有效的起到阻挡焊料侵蚀的作用，从而导致焊盘熔蚀。第二，系列3与系列2的剪切力数据相比增加并不明显，可见厚度满足一定要求之后，焊接强度趋于稳定。在实际批量生产过程中，共烧焊盘金属化层厚度的增加会造成基板平整度变差，同时会增加生产成本，因此金铂钯的厚度控制在15μm左右能够满足元器件焊接可靠性的要求。第三，随着回流焊次数的增加剪切力数值下降趋势明显，尤其是进行两次以上回流后下降趋于平缓，通过对5组样品的失效界面进行分析，我们发现，只有1组样品经过推力后分离界面主要在金铂钯层和瓷体之间，见图3a）所示，而2组～5组样品的分离界面均为焊料层和金铂钯层之间，见图3b）所示。

对剪切力试验后样品金铂钯焊盘表面和焊盘与瓷体的接触面进行了微观对比分析，见图4a）所示，发现焊盘表面主要成分为Au、Sn和Pb三种成分，而焊盘与瓷体的接触面则主要为Au、Pt、Pd和Sn，见图4b）所示。

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在采用Pb-Sn焊料焊接时，表面的金首先和铅锡焊料中的锡发生互溶现象形成脆性金锡合金，而Pt和Pd则在与瓷体接触面，起到阻挡焊料侵蚀的作用。本次试验中，1组样品仅经历了一次温度为220℃的回流焊工艺，这种互熔现象并不显著，对产品影响较小，因此其剪切时失效界面出现在金铂钯和瓷之间，而2组～5组样品经历了多次温度过程，基板焊接面的金层与铅锡焊料间的互熔明显加剧，金被大量熔入铅锡焊料，形成脆性的金锡合金，因此其剪切时失效界面出现在金铂钯和焊料之间，由此可见，多次回流焊接会影响金铂钯焊盘的附着力，影响其焊接可靠性。

4 结语

通过对金铂钯焊盘金属化层厚度和焊接次数对LTCC基板焊盘耐焊性进行研究，可以获得以下结论：

（1）金铂钯焊盘的金属化层厚度太薄不能起到阻挡铅锡焊料侵蚀的作用，厚度到达一定临界值后，其厚度增加对焊接面的结合强度影响不明显，满足一定厚度之后，焊接强度趋于稳定。

（2）本文试验中可见，金铂钯厚度在15μm左右，焊接强度趋于稳定；

（3）多次回流焊接会影响金铂钯焊盘的附着力，影响其焊接可靠性，回流次数大于2次后剪切力下降趋于平缓。这也从另一个侧面证明在经历多次温度循环条件后，铅锡焊料中的锡与金铂钯材料中的金发生互熔而生成脆性金锡合金的现象加剧，形成薄弱层，在受推力情况下首先出现分离。

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剪切力随金属化层的厚度增加而增加，随回流焊接次数的增加而减小