焊锡材料的基本特性

为了更好地了解焊锡材料的基本特性参数,首先简要介绍钎焊的基本概念。钎焊是一种焊接方法,它把熔点比焊件低的焊锡和焊件连接,一同加热,焊锡熔化后,渗入并填满连接处间隙,且与焊件在界面处形成金属间化合物。钎焊时,为了形成牢固的连接,通常须使用助焊剂,以保护金属表面和焊料在加热时不氧化,同时,去除原有的氧化物,以提高焊锡对焊件的浸润能力。

焊锡材料对焊件表面的良好浸润性是实现钎焊的基本要求。两种材料之间的浸润特性是由它们的表面能决定的。要实现焊锡材料对焊件表面的良好浸润,要求熔融的焊锡材具有较低的表面能而焊件表面具有较高的表面能,同时二者之间具有较低的界面能。

根据钎焊的要求和微电子封装中焊锡所起的作用,焊锡材料的性能参数包括熔点、表面能、电阻率、电导率、热膨胀系数、剪切强度、弹性模量、断裂强度、韧度、屈服强度、延展性、变特性、疲劳特性等。

焊锡的温度曲线中,液相线温度相当于熔化温度,固相线温度相当于软化温度。对给的化学成分,液相线与固相线之间的范围叫做粘滞区。一方面,希望熔化温度低一些,使装的工艺温度尽可能地低,以减小对半导体芯片的影响和降低热失配应力;另一方面,焊锡作为连接材料必须具有比最高使用温度至少高两倍的液相线,因为当使用温度接近于液相线时, 焊锡通常会变得机械上与冶金上的“脆弱”。表面能决定了焊锡的可焊接性,电阻率和热导率决定了焊锡的导电和导热性能。热膨胀系数影响封装后产生的热失配应力。剪切强度、弹性模量、断裂强度、韧度、屈服强度、延展性等力学参数决定焊接后的应力应变情况。蠕变是指在一定温度和应力下随时间发生的缓慢的塑性形变。在任何温度下,蠕变都可能发生,在高温和在1/2熔点温度附近时,蠕变最明显,因此对于较高工作温度的器件,选择高容点的焊锡材料可以减弱蠕变行为造成的影响。疲劳是指在交变应力下的合金失效。在循环负荷下合金所能忍受的应力比静态负荷下小得多。通常疲劳断裂开始于几个微小的纹,在重复应力作用下增长,造成焊接点截面的承载能力下降。温度机械疲劳,即通过温循环来测试疲劳特性,是用来界定焊锡特性的另一种测试模式。