厚膜Ag/Pd导体热老化附着力下降机理的研究

前    言

Ag/Pd导体由于其成本低、工艺简单而被广泛用于厚膜混合集成电路，相应的电路与外部元件、电路输入输出短头的焊接，目前广泛采用的是低熔点的63Sn/37Pb焊料。

焊料与Ag/Pd导体之间的结合力，是厚膜混合集成电路的一个重要参数。Ag/Pd导体与Sn-pb焊料之间的结合力在热老化过程中的下降现像是广为人知的，这里我们对这种现像发生的机率及可能性进行研究。

假设不含锡的焊料与导体的结合力在热老化过程中不发生变化，我们采用测弹性法，对热奥华过程中Sn扩散到Ag/Pd导体中形成金属互化物后，导体中的应力变化进行研究。

实验顺序

本实验主要采用下面两种Ag/Pd厚膜导体进行测试：导体、导体B。其中导体A是一种含Pd15%的大批生产出售的产品，导体B是一种最近开发研制成功的含Pd10%的Ag/Pd导体浆料。

所有Ag/Pd导体均印刷、烧结在96%AL2O3的基片上。

1.        测试样品附着力

采用2mm×2mm的图形印刷、烧结导体，然后将导体在230℃的63Sn/37Pb焊接中浸15秒，再用烙铁将引线焊接到导体上。

2.        扩散测试、X-射线衔射分析

在96%Al2O3基体上分别印刷道题A和B，再用15mm×15mm的图形，烧结膜厚10~15μm。

另外两种不同Pd含量的Ag/Pd导体亦用同样的方法进行制备、测试。

样品C、D采用与样品A、B相同的方法制备。样品的烧结条件是：850℃峰值10分钟，烧结1次，再在峰值500℃、烧结1次。

样品分别在不同条件的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，焊剂采用田中化学研究实验室的产品。

以上浸焊的产品加热至150℃，保持100小时，进行热老化试验，230℃的焊料温度是厚膜导体最常用的浸焊温度。浸270℃的焊料是为了研究焊料温度对厚膜导体与焊料之间相互扩散效应的影响。

3.        光测弹性法测试内应力的装置

样品制备：在光滑平整的无定型剥离基片上，印刷、烧结导体。再在融熔的230℃的焊料中浸焊，导体上焊料厚度0.5mm。

导体浆料与玻璃基片及96%AL2O3基体两者之间的相互作用不同，但采用玻璃几篇适合于测试热老化过程中导体层结合力的变化情况。

在热老化过程中，测量玻璃基片上产生的应力以确定导体层提及的变化。图1所示的是测试装置的光路图。通过一光度盘测量原有的作用力，在通过—1/4波长的光度盘及光分析仪，测量应力的大小。

由于物理作用，玻璃几篇施加到导体层上的反作用力即可观察到。

综述

1.        附着力

图2所示的是老化试验前、后的附着力测量结果。图2表明，老化24小时以后的附着力明显小于初始值。

2.        Ag/Pd导体与Sn-pb焊料之间的扩散

导体膜样品A、B、C、D分别在不同的条件下进行浸焊，然后分别取齐纵切面，采用电子探针进行观察，每个样品老化前和老化后的X-射线衍射结果如图3-5所示。导体C和导体D的X-射线衍射途中，只能看到Pd、Ag、Sn。

浸焊条件—230℃、5秒

如图3所示，浸焊后的Ag/Pd导体中的Ag和Pd寿险移动到焊料一侧。其中导体D中的扩散现像最明显。样品进行老化的过程中，焊料中的Sn、Pd向基片方向扩散，导体中的Ag、Pd以同样的速度向焊料一侧扩散，从而引起导体层的膨胀。最明显的是导体D膜厚膨胀到原来的4倍。在这种情况下可以观察到明显的Ag粒产生。

浸焊条件—230℃、30秒

如图4所示，可明显看到导体层中的Ag/Pd浓度比230℃、5秒的浸焊条件下的Ag/Pd浓度低。在浸焊过程中，Sn-pb完全扩散到所有导体中，同时产生Ag粒。结果表明，Pd的扩散速度略比Ag快，导体D中Ag、Pd向焊料中的扩散相当明显，而导体B中却相当微弱。尽管Ag、Pd在老化条件下向焊料扩散，但在这种情况下，导体D中的扩散极其明显，而导体B中却极其小。

浸焊条件—270℃、5秒

如图5所示，导体层中的Ag、Pd浓度降低。导体B中有少量的Ag、Pd向焊料一侧扩散，大部分仍牢固地附着在基片上。

3.        X—射线衍射分析

为了进一步研究Sn-pb向导体层中扩散现像，刮去浸焊后导体层上的焊料，然后在此表面上进行X—射线衍射分析。图6是样品老化前后典型的X—射线衍射曲线。应该说明的是样品B的浸焊条件是230℃、30秒。

结果表明，Sn-pb扩散到Ag—Pd合金中形成金属互化物Ag3Sn。同时可看出，由于在导体中形成Ag3Sn，Ag—Pd合金的衍射峰降低。值得注意的是，在老化过程中，即使在150℃以下的温度，亦然可发生一种固相向另一固相的扩散，并形成金属互化物。除了Ag3Sn外，不会再形成其它互化物，即使改变浸焊条件亦是如此。

4.        应力测试

图7所示的是老化过程中的张力变化。试验采用样品B。

讨论

如过早老化过程中阻止Sn向Ag—Pd导体层的扩散，则就不会发生结合力下降的现像。如各种试验结果所示的那样，Ag—Pd导体与Sn-pb焊料之间的相互扩散形成金属互化物Ag3Sn，取决于导体料本身及浸焊条件。只要采用含Sn焊料，这种现像总会发生。

就导体中的金属成分而言，Pd的含量越高，Ag、Pd向焊料中的扩散就越容易。

导体层由于在老化过程中产生Ag3Sn而发生膨胀。

老化50小时左右应力很大，这意味着什么？是由于施加在导体层的强大张力减弱了玻璃的作用？或者还是其他原因？而且导体与焊料之间的附着力在老化24小时后明显下降，而最大的应力却是老化50小时后产生。是什么原因导致这个时间差？这将是下步的研究课题。

可以肯定，热老化过程中Sn扩散到导体层中，产生金属互化物Ag3Sn，引起导体层体积变化，同时产生强大的张力。

因此认为老化应力的增大引起结合力的下降。

当Ag/Pd导体烧结到氧化铝基片上，即可以在氧化铝基片表面观察到一个不平整的玻璃相粘结层。这就是说，玻璃在导体与基片的结合力中，起主要作用。Ag—Pd与玻璃接触处的小面积—射线衍射表名，导体A、B、C、D中不存在结晶相产生。所以可以认为这纯粹是物理粘结。

通过老化附着力测试后的裂片表面可以看到，导体A、B、D的导电粒子与玻璃之间的粘结结构破坏，导体C中的粘结玻璃与几片之间的粘结结构破坏。

由于老化过程中导电层内形成金属互化物，从而引起导体层体积发生变化。这种变化引起导体层负荷增加。

目前，我们正致力于对玻璃、金属粉、烧结时间等与导体老化附着力下降之间关系的研究。

结论

本文关于Ag/Pd导体与63Sn/37Pb焊料之间关系的研究可以总结为一下几条：

1.        导体中的Ag、Pd以相同的速率向焊料中扩散。而且Pd含量越高，扩散速率愈大。

2.        焊料向导体层扩散，扩散速率取决于浸焊的条件。

3.        在扩散的同时，焊料中的Sn与导体中的Ag在导体中形成金属互化物Ag3Sn。

4.        老化时，Sn扩散到导体层内部，并与Ag—Pd合金中的Ag形成金属互化物Ag3Sn。同时Ag、Pd又扩散到焊料中，Ag—Pd导体层膨胀。导体中Pd含量越高，膨胀的速率愈大。

5.        随着老化时Sn与Ag—Pd合金形成金属互化物Ag3Sn，导体层发生体积变化，产生内应力。