前    言

Ag/Pd導(dǎo)體由于其成本低、工藝簡(jiǎn)單而被廣泛用于厚膜混合集成電路，相應(yīng)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(diǎn)的63Sn/37Pb焊料。

焊料與Ag/Pd導(dǎo)體之間的結(jié)合力，是厚膜混合集成電路的一個(gè)重要參數(shù)。Ag/Pd導(dǎo)體與Sn-pb焊料之間的結(jié)合力在熱老化過(guò)程中的下降現(xiàn)像是廣為人知的，這里我們對(duì)這種現(xiàn)像發(fā)生的機(jī)率及可能性進(jìn)行研究。

假設(shè)不含錫的焊料與導(dǎo)體的結(jié)合力在熱老化過(guò)程中不發(fā)生變化，我們采用測(cè)彈性法，對(duì)熱奧華過(guò)程中Sn擴(kuò)散到Ag/Pd導(dǎo)體中形成金屬互化物后，導(dǎo)體中的應(yīng)力變化進(jìn)行研究。

實(shí)驗(yàn)順序

本實(shí)驗(yàn)主要采用下面兩種Ag/Pd厚膜導(dǎo)體進(jìn)行測(cè)試：導(dǎo)體、導(dǎo)體B。其中導(dǎo)體A是一種含Pd15%的大批生產(chǎn)出售的產(chǎn)品，導(dǎo)體B是一種最近開發(fā)研制成功的含Pd10%的Ag/Pd導(dǎo)體漿料。

所有Ag/Pd導(dǎo)體均印刷、燒結(jié)在96%AL2O3的基片上。

1.        測(cè)試樣品附著力

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

2.        擴(kuò)散測(cè)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(jié)膜厚10~15μm。

另外兩種不同Pd含量的Ag/Pd導(dǎo)體亦用同樣的方法進(jìn)行制備、測(cè)試。

樣品C、D采用與樣品A、B相同的方法制備。樣品的燒結(jié)條件是：850℃峰值10分鐘，燒結(jié)1次，再在峰值500℃、燒結(jié)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(xué)研究實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)品。

以上浸焊的產(chǎn)品加熱至150℃，保持100小時(shí)，進(jìn)行熱老化試驗(yàn)，230℃的焊料溫度是厚膜導(dǎo)體最常用的浸焊溫度。浸270℃的焊料是為了研究焊料溫度對(duì)厚膜導(dǎo)體與焊料之間相互擴(kuò)散效應(yīng)的影響。

3.        光測(cè)彈性法測(cè)試內(nèi)應(yīng)力的裝置

樣品制備：在光滑平整的無(wú)定型剝離基片上，印刷、燒結(jié)導(dǎo)體。再在融熔的230℃的焊料中浸焊，導(dǎo)體上焊料厚度0.5mm。

導(dǎo)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(cè)試熱老化過(guò)程中導(dǎo)體層結(jié)合力的變化情況。

在熱老化過(guò)程中，測(cè)量玻璃基片上產(chǎn)生的應(yīng)力以確定導(dǎo)體層提及的變化。圖1所示的是測(cè)試裝置的光路圖。通過(guò)一光度盤測(cè)量原有的作用力，在通過(guò)—1/4波長(zhǎng)的光度盤及光分析儀，測(cè)量應(yīng)力的大小。

由于物理作用，玻璃幾篇施加到導(dǎo)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(yàn)前、后的附著力測(cè)量結(jié)果。圖2表明，老化24小時(shí)以后的附著力明顯小于初始值。

2.        Ag/Pd導(dǎo)體與Sn-pb焊料之間的擴(kuò)散

導(dǎo)體膜樣品A、B、C、D分別在不同的條件下進(jìn)行浸焊，然后分別取齊縱切面，采用電子探針進(jìn)行觀察，每個(gè)樣品老化前和老化后的X-射線衍射結(jié)果如圖3-5所示。導(dǎo)體C和導(dǎo)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(dǎo)體中的Ag和Pd壽險(xiǎn)移動(dòng)到焊料一側(cè)。其中導(dǎo)體D中的擴(kuò)散現(xiàn)像最明顯。樣品進(jìn)行老化的過(guò)程中，焊料中的Sn、Pd向基片方向擴(kuò)散，導(dǎo)體中的Ag、Pd以同樣的速度向焊料一側(cè)擴(kuò)散，從而引起導(dǎo)體層的膨脹。最明顯的是導(dǎo)體D膜厚膨脹到原來(lái)的4倍。在這種情況下可以觀察到明顯的Ag粒產(chǎn)生。

浸焊條件—230℃、30秒

如圖4所示，可明顯看到導(dǎo)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(guò)程中，Sn-pb完全擴(kuò)散到所有導(dǎo)體中，同時(shí)產(chǎn)生Ag粒。結(jié)果表明，Pd的擴(kuò)散速度略比Ag快，導(dǎo)體D中Ag、Pd向焊料中的擴(kuò)散相當(dāng)明顯，而導(dǎo)體B中卻相當(dāng)微弱。盡管Ag、Pd在老化條件下向焊料擴(kuò)散，但在這種情況下，導(dǎo)體D中的擴(kuò)散極其明顯，而導(dǎo)體B中卻極其小。

浸焊條件—270℃、5秒

如圖5所示，導(dǎo)體層中的Ag、Pd濃度降低。導(dǎo)體B中有少量的Ag、Pd向焊料一側(cè)擴(kuò)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(jìn)一步研究Sn-pb向?qū)w層中擴(kuò)散現(xiàn)像，刮去浸焊后導(dǎo)體層上的焊料，然后在此表面上進(jìn)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(yīng)該說(shuō)明的是樣品B的浸焊條件是230℃、30秒。

結(jié)果表明，Sn-pb擴(kuò)散到Ag—Pd合金中形成金屬互化物Ag3Sn。同時(shí)可看出，由于在導(dǎo)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(guò)程中，即使在150℃以下的溫度，亦然可發(fā)生一種固相向另一固相的擴(kuò)散，并形成金屬互化物。除了Ag3Sn外，不會(huì)再形成其它互化物，即使改變浸焊條件亦是如此。

4.        應(yīng)力測(cè)試

圖7所示的是老化過(guò)程中的張力變化。試驗(yàn)采用樣品B。

討論

如過(guò)早老化過(guò)程中阻止Sn向Ag—Pd導(dǎo)體層的擴(kuò)散，則就不會(huì)發(fā)生結(jié)合力下降的現(xiàn)像。如各種試驗(yàn)結(jié)果所示的那樣，Ag—Pd導(dǎo)體與Sn-pb焊料之間的相互擴(kuò)散形成金屬互化物Ag3Sn，取決于導(dǎo)體料本身及浸焊條件。只要采用含Sn焊料，這種現(xiàn)像總會(huì)發(fā)生。

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

導(dǎo)體層由于在老化過(guò)程中產(chǎn)生Ag3Sn而發(fā)生膨脹。

老化50小時(shí)左右應(yīng)力很大，這意味著什么？是由于施加在導(dǎo)體層的強(qiáng)大張力減弱了玻璃的作用？或者還是其他原因？而且導(dǎo)體與焊料之間的附著力在老化24小時(shí)后明顯下降，而最大的應(yīng)力卻是老化50小時(shí)后產(chǎn)生。是什么原因?qū)е逻@個(gè)時(shí)間差？這將是下步的研究課題。

可以肯定，熱老化過(guò)程中Sn擴(kuò)散到導(dǎo)體層中，產(chǎn)生金屬互化物Ag3Sn，引起導(dǎo)體層體積變化，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)大的張力。

因此認(rèn)為老化應(yīng)力的增大引起結(jié)合力的下降。

當(dāng)Ag/Pd導(dǎo)體燒結(jié)到氧化鋁基片上，即可以在氧化鋁基片表面觀察到一個(gè)不平整的玻璃相粘結(jié)層。這就是說(shuō)，玻璃在導(dǎo)體與基片的結(jié)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(dǎo)體A、B、C、D中不存在結(jié)晶相產(chǎn)生。所以可以認(rèn)為這純粹是物理粘結(jié)。

通過(guò)老化附著力測(cè)試后的裂片表面可以看到，導(dǎo)體A、B、D的導(dǎo)電粒子與玻璃之間的粘結(jié)結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)體C中的粘結(jié)玻璃與幾片之間的粘結(jié)結(jié)構(gòu)破壞。

由于老化過(guò)程中導(dǎo)電層內(nèi)形成金屬互化物，從而引起導(dǎo)體層體積發(fā)生變化。這種變化引起導(dǎo)體層負(fù)荷增加。

目前，我們正致力于對(duì)玻璃、金屬粉、燒結(jié)時(shí)間等與導(dǎo)體老化附著力下降之間關(guān)系的研究。

結(jié)論

本文關(guān)于Ag/Pd導(dǎo)體與63Sn/37Pb焊料之間關(guān)系的研究可以總結(jié)為一下幾條：

1.        導(dǎo)體中的Ag、Pd以相同的速率向焊料中擴(kuò)散。而且Pd含量越高，擴(kuò)散速率愈大。

2.        焊料向?qū)w層擴(kuò)散，擴(kuò)散速率取決于浸焊的條件。

3.        在擴(kuò)散的同時(shí)，焊料中的Sn與導(dǎo)體中的Ag在導(dǎo)體中形成金屬互化物Ag3Sn。

4.        老化時(shí)，Sn擴(kuò)散到導(dǎo)體層內(nèi)部，并與Ag—Pd合金中的Ag形成金屬互化物Ag3Sn。同時(shí)Ag、Pd又?jǐn)U散到焊料中，Ag—Pd導(dǎo)體層膨脹。導(dǎo)體中Pd含量越高，膨脹的速率愈大。

5.        隨著老化時(shí)Sn與Ag—Pd合金形成金屬互化物Ag3Sn，導(dǎo)體層發(fā)生體積變化，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。