鐵氧體表面耐高溫Ni-V/Ag復合金屬化薄膜的研究
提出了一種用于鐵氧體電感金屬化的耐高溫薄膜。它采用了Ni-V/Ag復合膜系，能夠滿(mǎn)足貼片電感組裝過(guò)程中耐受420℃高溫焊接10s的要求，而且厚度不超過(guò)6μm。為了了解焊接中的表面反應過(guò)程，用掃描電鏡、能量色散X射線(xiàn)光譜儀對不同參數焊接膜層的微觀(guān)形貌和成分進(jìn)行了分析測量。結果顯示在250℃時(shí)金屬件化合物主要是(Cu，Ni)6Sn5，而在420℃時(shí)則是以(Ni，Cu)3Sn4為主，焊接時(shí)的高溫能極大地改變表面反應的速率和產(chǎn)物，同時(shí)證明所述膜層能達到設計要求。
隨著(zhù)電子器件尺寸的減小和電子系統元件密度的不斷增加，業(yè)界對電子焊接的要求變得更加嚴格。目前已經(jīng)有一些關(guān)于溫度對薄膜微結構影響的研究，但是對于表面貼裝型的鐵氧體繞線(xiàn)電感，這一問(wèn)題更具挑戰：因為繞線(xiàn)引腳的外層絕緣層一般需要在高溫焊錫中去除，這一工藝過(guò)程對鐵氧體金屬化表面的熱穩定性提出更高要求。為了實(shí)現焚盡漆包線(xiàn)外層的目的，鐵氧體的金屬化薄膜必須能在420℃的高溫焊錫環(huán)境下承受10s。除了溫度，還有其他很多因素需要考慮，包括接觸電阻、機械強度、環(huán)保等等。Ni因為在無(wú)鉛焊錫中有著(zhù)較低的熔蝕速率一直被認為是較好金屬化材料。但是，導磁性使它很難進(jìn)行直流磁控濺射，文獻中使用了中頻磁控濺射制備Co-Ni合金薄膜。為了消除這一不利特性，摻入了V來(lái)改善。在Ni中摻入7%(質(zhì)量比)的釩后，能消除Ni的導磁性。關(guān)于Ni與焊錫反應的影響因素已經(jīng)有了很多研究，包括焊點(diǎn)的體積效應，焊錫中Cu的含量對反應的影響等。Chen等對化學(xué)鍍Ni-P與焊錫的表面反應進(jìn)行了細致的比較研究。Ni-7.0%V基片與Sn-Pb焊錫的反應過(guò)程在中有了研究。在現有研究的基礎上，提出了以磁控濺射N(xiāo)i-V/Ag復合層作為鐵氧體的金屬化膜層，進(jìn)一步將薄膜承受420℃高溫無(wú)鉛焊錫的時(shí)間提升到10s，并詳細研究了高溫下Ni-V/Ag膜層與焊錫的反應過(guò)程與金屬間化合物(IMC)。
1、實(shí)驗方法
實(shí)驗是在浙江大學(xué)薄膜研究室自行研制的多靶磁控濺射儀上進(jìn)行的。為了揭示不同焊接條件下的反應過(guò)程和反應產(chǎn)物，使用了不同的膜層厚度以及不同的焊接溫度，焊錫均使用Sn-3%Ag-0.5%Cu無(wú)鉛焊錫。具體的實(shí)驗參數如表1所示。
表1 磁控濺射參數
在濺射前，先把真空腔抽到5×10-4 Pa的本底氣壓，然后充氬氣到0.5Pa開(kāi)始濺射。銀靶和鎳釩靶都開(kāi)啟水冷，靶基距固定在70mm，鐵氧體基片是10mm×10mm的正方形。復合薄膜中Ni-V層和Ag層的厚度分別為5和0.2μm。其中Ag層在提供較好的焊接性能的同時(shí)又起到防止內層鎳釩被氧化的目的。在焊接時(shí)，Ag層只要一接觸焊錫就會(huì )被熔蝕，它的影響可以忽略。金屬化完成后，樣品被涂上助焊劑后進(jìn)入錫爐。評價(jià)樣品的金屬化膜層質(zhì)量主要有三種測試：①電極的結合力強度大于20N/cm2；②420℃焊錫10s的可焊性和耐焊性測試。結合力強度的測試方法是在電感電極上焊接一根銅導線(xiàn)，然后測試從電極上拉開(kāi)導線(xiàn)需要的拉力。拉力除以電極焊接面積就是抗拉強度。在測試中，使用福州艾普儀器有限公司生產(chǎn)的K-50H拉力計。目前在PCB上焊接的溫度通常在250℃左右，但是在這種貼片電感的制作中，要求在420℃的高溫下把漆包線(xiàn)的絕緣層燒化，因此需要在這種工藝下貼裝的器件都需要能承受420℃高溫焊錫的測試。在420℃高溫的情況下，膜層表面形成金屬間化合物的過(guò)程較為復雜。為了能清楚地了解這一過(guò)程中溫度因素的影響，還額外加入了350℃的實(shí)驗對照組。把樣品分成3組，每組30個(gè)，三組的測試溫度分別為250，350和420℃。圖1展示了三個(gè)樣品組測試所得數據的統計值。由于濺射工藝優(yōu)勢，所有樣品測試結果都遠大于要求的40N/cm2。
圖1 拉力數據統計值
可焊性測試中，總共有9個(gè)對照組，每組里有50個(gè)樣品，它們在不同的溫度和焊接時(shí)間參數下進(jìn)行測試。樣品測試的通過(guò)標準是經(jīng)過(guò)焊接后的樣品電極上錫面積在90%以上，并且焊點(diǎn)保持圓潤飽滿(mǎn)。每組樣品對應的焊接參數和測試通過(guò)率列在表2中。
表2 可焊性測試結果
這9組樣品用環(huán)氧樹(shù)脂固化后，經(jīng)過(guò)斷面打磨拋光，最后用含5%(體積比)HCl的甲醇溶液腐蝕20s。使用了HitachiS-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀(guān)察斷面的IMC，并使用了能量色散X射線(xiàn)光譜(EDX)儀對各種成分進(jìn)行分析。
3、結論
本文討論了焊接溫度對Ni-V金屬化薄膜與Sn-3%Ag-0.5%Cu無(wú)鉛焊錫表面反應的影響。在250℃恒溫焊接后，Ni-V與焊錫的反應速率很低；但是在420℃反應速率大大加快。250℃低溫反應在界面上生成(Cu，Ni)6Sn5相，溫度升高則產(chǎn)生了(Ni，Cu)3Sn4相。到420℃條件下，(Cu，Ni)6Sn5相已經(jīng)不能檢測到。V則在反應過(guò)程中積累在金屬化層。在金屬化中使用5μm厚的Ni-V和0.2μmAg復合膜層，滿(mǎn)足了420℃焊接10s的耐焊要求，膜層結合力也遠超指標要求。
