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(fù)合膜系，能夠滿足貼片電感組裝過程中耐受420℃高溫焊接10s的要求，而且厚度不超過6μm。為了了解焊接中的表面反應(yīng)過程，用掃描電鏡、能量色散X射線光譜儀對不同參數(shù)焊接膜層的微觀形貌和成分進(jìn)行了分析測量。結(jié)果顯示在250℃時金屬件化合物主要是(Cu，Ni)6Sn5，而在420℃時則是以(Ni，Cu)3Sn4為主，焊接時的高溫能極大地改變表面反應(yīng)的速率和產(chǎn)物，同時證明所述膜層能達(dá)到設(shè)計要求。

　　隨著電子器件尺寸的減小和電子系統(tǒng)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(yán)格。目前已經(jīng)有一些關(guān)于溫度對薄膜微結(jié)構(gòu)影響的研究，但是對于表面貼裝型的鐵氧體繞線電感，這一問題更具挑戰(zhàn)：因為繞線引腳的外層絕緣層一般需要在高溫焊錫中去除，這一工藝過程對鐵氧體金屬化表面的熱穩(wěn)定性提出更高要求。為了實現(xiàn)焚盡漆包線外層的目的，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因為在無鉛焊錫中有著較低的熔蝕速率一直被認(rèn)為是較好金屬化材料。但是，導(dǎo)磁性使它很難進(jìn)行直流磁控濺射，文獻(xiàn)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來改善。在Ni中摻入7%(質(zhì)量比)的釩后，能消除Ni的導(dǎo)磁性。關(guān)于Ni與焊錫反應(yīng)的影響因素已經(jīng)有了很多研究，包括焊點的體積效應(yīng)，焊錫中Cu的含量對反應(yīng)的影響等。Chen等對化學(xué)鍍Ni-P與焊錫的表面反應(yīng)進(jìn)行了細(xì)致的比較研究。Ni-7.0%V基片與Sn-Pb焊錫的反應(yīng)過程在中有了研究。在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，提出了以磁控濺射Ni-V/Ag復(fù)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?zé)o鉛焊錫的時間提升到10s，并詳細(xì)研究了高溫下Ni-V/Ag膜層與焊錫的反應(yīng)過程與金屬間化合物(IMC)。

1、實驗方法

　　實驗是在浙江大學(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(yīng)過程和反應(yīng)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無鉛焊錫。具體的實驗參數(shù)如表1所示。

表1　磁控濺射參數(shù)

　　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開始濺射。銀靶和鎳釩靶都開啟水冷，靶基距固定在70mm，鐵氧體基片是10mm×10mm的正方形。復(fù)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又起到防止內(nèi)層鎳釩被氧化的目的。在焊接時，Ag層只要一接觸焊錫就會被熔蝕，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。評價樣品的金屬化膜層質(zhì)量主要有三種測試：①電極的結(jié)合力強度大于20N/cm2；②420℃焊錫10s的可焊性和耐焊性測試。結(jié)合力強度的測試方法是在電感電極上焊接一根銅導(dǎo)線，然后測試從電極上拉開導(dǎo)線需要的拉力。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程較為復(fù)雜。為了能清楚地了解這一過程中溫度因素的影響，還額外加入了350℃的實驗對照組。把樣品分成3組，每組30個，三組的測試溫度分別為250，350和420℃。圖1展示了三個樣品組測試所得數(shù)據(jù)的統(tǒng)計值。由于濺射工藝優(yōu)勢，所有樣品測試結(jié)果都遠(yuǎn)大于要求的40N/cm2。

圖1　拉力數(shù)據(jù)統(tǒng)計值

　　可焊性測試中，總共有9個對照組，每組里有50個樣品，它們在不同的溫度和焊接時間參數(shù)下進(jìn)行測試。樣品測試的通過標(biāo)準(zhǔn)是經(jīng)過焊接后的樣品電極上錫面積在90%以上，并且焊點保持圓潤飽滿。每組樣品對應(yīng)的焊接參數(shù)和測試通過率列在表2中。

表2　可焊性測試結(jié)果

　　這9組樣品用環(huán)氧樹脂固化后，經(jīng)過斷面打磨拋光，最后用含5%(體積比)HCl的甲醇溶液腐蝕20s。使用了HitachiS-4800場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察斷面的IMC，并使用了能量色散X射線光譜(EDX)儀對各種成分進(jìn)行分析。

3、結(jié)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無鉛焊錫表面反應(yīng)的影響。在250℃恒溫焊接后，Ni-V與焊錫的反應(yīng)速率很低；但是在420℃反應(yīng)速率大大加快。250℃低溫反應(yīng)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(yīng)過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(fù)合膜層，滿足了420℃焊接10s的耐焊要求，膜層結(jié)合力也遠(yuǎn)超指標(biāo)要求。