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浙江工业大学博士论文 微电子封装中无铅焊料的损伤模型和失效机理研究 摘要 由于铅和含铅化合物的毒性对人类环境和健康的危害，以及法律、 法规的限制，在微电子封装中使用无铅焊料已经成为不可避免的趋势。 焊点作为组件和p c b 板( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 的机械、热和电气连 接材料，对于电子封装的可靠性至关重要。因此，迫切需要准确理解 无铅焊料的力学响应和本构行为。目前大多数研究都是基于材料无缺 陷的，并没有考虑微结构组织的演化和微损伤的影响。 本文基于细观力学和损伤力学的理论和方法，实验研究了无铅焊 料的机械性能和微观损伤机理，考虑晶粒尺寸效应和空洞损伤，提出 一种粘塑性一损伤本构模型，采用神经网络和嵌入序列二次规划法 ( s q p ) 的优化程序确定模型参数，以有限元软件a b a q u s 的用户材料 子程序( u m a t ) 为基础建立分析无铅焊料力学行为和损伤失效的数值 仿真系统，通过与实验数据比较对提出的模型进行验证，并分析b g a ( 球栅阵列) 封装中无铅焊点的损伤过程和可靠性问题。论文的主要 工作与研究成果归纳如下： 基于数字散斑相关方法( d s c m ) ，建立了一种新的摄像控制实验 系统用于评价无铅焊料s n 4 0 a 9 0 5 c u 和s n s b 8 5 在室温1 5 0 4 c 和应 变率l f f 5 s 1 0 。3 s 范围内进行一系列恒应变拉伸实验的力学行为， 并通过扫描电镜( s e m ) 观察材料微结构演化和损伤机理。 浙江工业大学博士论文 基于g u r s o n - - t v e r g a a r d 塑性势函数和正交法则，提出一种粘 塑性一损伤本构模型分析空洞损伤对无铅焊料的可靠性和宏观力学性 能的影响。通过在基体粘塑性流动准则中嵌入晶粒尺寸考虑了微结构 的作用，并考虑了温度对材料性能的影响。引入空洞体积分数作为内 损伤变量，作为材料疲劳寿命的直接反映。 以有限元软件a b a q u s 的u m a t 为基础建立分析无铅焊料的力学 响应和损伤演化的数值仿真系统。通过结合实验和数值技术确定本构 模型的参数：建立弹性b - p 算法的多层前馈神经网络，并用神经网络 的学习来代替有限元模拟，利用嵌入s q p 算法的非线性优化程序确定 模型参数。 模型预测结果与拉伸实验数据比较，表明秸塑性一损伤本构模 型能准确的描述无铅材料的非线性、应变率敏感和损伤演化特征。进 一步使用本文模型和数值仿真系统研究b g a 封装中无铅焊点的热疲劳 行为和损伤过程，分析结果为b g a 封装的设计和可靠性分析提供了理 论基础。 关键词：无铅焊料，损伤力学，本构模型，数值分析，b g a 封装 l l 浙江工业大学博士论文 s 7 丌，d yo nd a m a g ec o n s t i t u l l v em o d e la n d f a i l u r el 订e c h a n i s mo fl e a d f r e es o l d e r i nn c r o e l e c t r o n i cp a c k a g i n g a b s t r a c t d u et oi n c r e a s i n ge n v i r o n m e n t a la n dh e a l t hc o n c e r n sa b o u tt h et o x i c i t yo fl e a d , a s w e l la st h el e g i s l a t i o nl i m i t i n gt h eu s a g eo fl e a d - b e a r i n gs o l d e r s ，t h ea p p l y i n go f l e a d - f r e es o l d e ra l l o y si nm i c r o e l e c t r o r f i ca p p l i c a t o n sh a sb e e n 柚i n e v i t a b j ep a c k a g i n g t r e n d a sm a j o rm e c h a n i c a l ，t b e n n a l ，a n de l e c t r i c a li n t e r c o n n e c t sb e t w e e nt h e c o m p o n e n ta n dt h ep c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) ，s o l d e rj o i n t s a r ec r u c i a lf o r t h e r e l i a b i l i t y o ft h em o s te l e c t r o n i cp a c k a g e s ，i ti s a r g e n t t or e a l i z em e c h a n i c a l c h a r a c t e r i z a t i o na n dc o n s t i t u t i v ep r o p e r t i e so fl e a d - f r e es o l d e r s i nt h em o s to fe f f o r t s ，i t a s s u m e dm a t e r i a l sp e r f e c t l ya n dd i s r e g a r d e de f f e c t so fm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o na n d m i c r o - d a m a g e0 nm a t e r i a lc o n s t i t u t i v eb e h a v i o r s ， b a s e do nt h et h e o r i e sa n dm e t h o d so f m i c r o m e c h a n i c sa n dd a m a g em e c h a n i c s , t h i s d i s s e r t a t i o ns t u d i e dm e c h a n i cp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u e t u r ed a m a g em e c h a n i s mo f l e a d f r e e s o l d e d e v e l o p e dav i s c o p t a s t i c - d a l l l a g ec o n s t i t u t i v em o d e li n c o r p o r a t i n g g r a i ns i z ee f f e c ta n dv o i dd a m a g e p a r a m e t e r so ft h em o d e lw e f ei d e n t i f i e db yn e u r a l n e t w o r ka n d o p t i m i z a t i o n r o u t i n ei m p l e m e n t e d s q p ( s u c c e s s i v eq u a d r a t i c p r o g r a m m i n ga l g o r i t h m ) u t i l i z i n gu s e r - d e f i n e dm a t e r i a ls u b r o u t i n e ( u m a t ) o f f i n i t e e l e m e n tp r o g r a ma b a q u s ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns y s t e mw a ss e tu pt oa n a l y z e m e c h a n i c a lb e h a v i o r sa n dd a m a g ef a i l u r eo fl e a d - f r e es o l d e r t h em o d e lw a sv e r i f i e d t h r o u g hc o m p a r i n gd a t ab e t w e e nt h ep r e d i c t i o n sa n de ) p c l - i m e i t s t h e n , d a m a g e p r o c e s sa n dr e l i a b i l i t yo fs o l d e rj o i n t si nb g ap a c k a g i n gw a si n v e s t i g a t e d i nt h i s d i s s e r t a t i o n t h em a i ni n v e s t i g a t i o nw o r kf o c u s e so nt h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ： b a s e d0 1 1o s c m 0 3 i g i 诅ls p e c k l ec o r r e l a t i o nm e t h o d ) an o v e lv i d e oc o n t r o l e x p e r i m e n t a lt e c h n i q u ew a sd e v e l o p e d f o ra s s e s s i n gm e c h a n i c a lb e h a v i o r so f 1 1 1 浙江工业大学博士论文 s n 4 0 a 9 0 5 c ua n ds n s b 8 5s o l d e ra l l o y s as e r i e so fe x p e r i m e n t a lt e s t si nt e n s i o no l l t h e mh a v eb e e nc o n d u c t e du n d e rv a r i o u sc o n s t a n ts w a i nr a t e sr a n g i n gf r o m1 0 e - 5 st o 1 0 e - 3 ，sa n da tr o o mt e m p e r a t u r et o1 5 0 c b ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) o b s e v e r v a t i o n ，m i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o na n dd a m a g em e c h a n i s mw a ga l s oe x a l l l i l l c d a a s e do ng u r s o n - t v e r g a a r dp l a s t i cp o t e n t i a le q u a t i o na n do r t h o g o n a lr u l e s ，a m o d i f i e dv i s c o p l a s t i c - d a m a g ec o n s t i t u t i v em o d e lf o rl e a d - f r e es o l d e rw a sp r o p o s e dt o s i m u l a t et h ee f f e c to f v o i d so i lr e l i a b i l i t ya n dt h em a c r o s c o p i cm e c h a n i c a lr e s p o n s e t h e e f f e c to fm i e r o s t l u c t u r ei st a k e ni n t oa c c o u n tb yi n c o r p o r a t i n gt h eg r a i ns i z ei nm a t r i x v i s c o p l a s t i cf l o wr u l e t e m p e r a t u r ee f f e c ti si n c o r p o r a t e di n t ot h em a t e r i a lp r o p e r t i e s t h ev o i dv o l u m ef r a c t i o na st h ei n t e r n a ld a m a g ev a r i a b l ei si n t r o d u c e di n t ot h em a t e r i a l c o n s t i t u t i v er e l a t i o na n d p r o v i d e sd i r e c tr e f l e c t i o no f f a t i g u el i f e t h em o d e lw a si m p l e m e n t e di n t of i n i t ee l e m e n tp r o g r a ma b a q u st h r o u g hi t s u s e rd e f i n e dm a t e r i a ls u b r o u t i n et oa n a l y z em e c h a n i c a lr e s p o n s ea n dd a l l l a g ee v o l u t i o n o fl e a d - f r e es o l d e ra l l o y s t h ep a r a m e t e r sa 托i d e n t i f i e db yc o m b i n e de x p e r i m e n t a la n d n u m e r i c a lt e c h n i q u e s ：i n s t e a do ff e ms i m u l a t i o n s ，am u l t i - l a y e rf e e df o r w a r dn e u r a l n e t w o r k sb a s e do nr e s i l i e n tb a c kp r o p a g a t i o na l g o r i t h mh a sb e e nu s e d ；an o n - l i n e a r o p t i m i z a t i o nr o u t i n ei m p l e m e n t e ds q p ( s u c c e s s i v eq u a d r a t i cp r o g r a m m i n g ) a l g o r i t h m h a sb e e nd e v e l o p e dt oo p t i m i z et h em o d e l sp a r a m e t e r si no r d e rt oo b t a i nt h eb e s t a g r e e m e n tb e t w e e nt h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h ep r e d i c t e dc n r v e t h em o d e lw a sv e r i f i e da g a i n s tv a r i o u st e n s i l et e s td a t af o raw i d er a n g eo f t e m p e r a t u r e sa n ds t r a i nr a t e s t h ep r e d i c t i o n sh a v es h o w nt h ea b i l i t yo ft h em o d i f i e d v i s c o p l a s t i e - d a m a g em o d e l t o c o r r e c t l yd e s c r i b e t h e e x p e r i m e n t a l o b s e r v a t i o n s ： n o n l i n e a r i t y , s t r a i nr a t es e n s i t i v i t y a n dd a m a g ee v o l u t i o n t h e n ，t h i sm o d e la n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns y s t e mw a se f f e c t i v e l ya p p l i e dt ot h et h e r m a lf a t i g u ea n dd 觚l a g e p r o c e s sa n a l y s i so f b g ap a c k a g e s t h en u m e r i c a la n a l y s i sp r o v i d e st h et h e o r ye v i d e n c e f o rd e s i g na n d r e l i a b i l i t yo f b g ap a c k a g i n g k e yw o r d s ：l e a d f r e es o l d e r , d a m a g em e c h a n i c s ，c o n s t i t u t i v em o d e l ，n u m e r i c a l a n a l y s i s ，b g ae l e c t r o n i cp a c k a g i n g i v 浙江工业大学博士论文 图1 1 图1 - 2 图2 1 图2 - 2 图2 - 3 图2 4 图3 1 图3 - 2 图3 3 图3 _ 4 图3 5 图 图3 - 7 图3 - s 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 一】5 图3 1 6 图3 - 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 - 2 0 图表目录 封装分级3 微系统封装失效机理9 焊料杨氏模量与温度的关系1 4 s n 3 s a g 与s n 3 7 p b 的塑性性能比较1 5 三线弹塑性关系16 蠕变曲线 同一坐标系下物体变形前后散斑图 1 7 3 5 拉伸试样的尺寸示意图3 7 实验原理示意图3 8 s n 4 0 a 9 0 5 c u 应力应变曲线( 7 5 c ) 4 0 s n s b 8 5 应力应变曲线( 7 5 ) 4 0 两种焊料拉伸强度与应变率的关系( 7 5 ) 4 1 两种焊料的屈服应力与应变率的关系( 7 5 ) 4 2 s n 4 。0 a 9 0 5 c u 应力应变曲线( 应变率1 0 e - 3 s ) 一4 3 s n s b 8 5 应力应变曲线( 应变率1 0 e 3 s ) 4 4 两种焊料的拉伸强度与温度的关系( 应交率1 0 e 3 1 s ) 一4 5 两种焊料的屈服强度与温度的关系( 应变率1 0 e 3 i s ) 4 6 实验前s n 4 0 a 9 0 5 c u 焊料的微观形貌4 7 实验后$ n 4 0 a 9 0 5 c u 钎料的微观形貌4 7 温度循环载荷4 9 s n 4 0 a 9 0 ，5 c u 焊料的初始状态4 9 1 0 0 循环时s n 4 0 a 9 0 5 c u 焊料的状态5 0 2 0 0 循环时s n 4 0 a 9 0 5 c u 焊料的状态5 0 3 0 0 循环时s n 4 0 a 9 0 5 c u 焊料的状态5 l 实验前s n s b 8 5 焊料的微观形貌5i 拉伸后s n s b 8 5 焊料的微观形貌5 2 v l n 浙江工业大学博士论文 图3 2 1 图3 - 2 2 图4 1 图4 2 图钙 图5 一l 图5 - 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 - 8 图5 - 9 图6 1 图6 - 2 图6 3 图6 4 图6 5 图“ 图6 7 图6 - 8 图6 - 9 图6 1 0 图6 1 1 图6 1 2 图6 1 3 图6 1 4 图6 - 1 5 图6 】6 拉伸后s n s b 8 5 焊料的s e m 图5 3 拉伸后s n s b 8 5 焊料的s e m 图一5 3 体胞模型5 7 屈服面5 8 u m a t 流程图7 3 确定模型参数的流程图7 7 前馈神经网络示意图 弹性模量与温度的关系8 4 拉伸实验样本的轴对称有限元网格8 7 实验数据与模拟结果的应力应变行为比较( 应变率1 0 e - 3 s ) 一8 8 实验数据与模拟结果的应力应变行为比较( 应变率1 0 e - 4 s ) 。8 9 实验数据与模拟结果的应力应变行为比较( 应变率1 0 e 一5 i s ) 。8 9 加载前后的实验样本应力云图9 0 s n 4 0 a 9 0 5 c u 焊料的空洞损伤分布 c b g a 的封装断面结构9 4 c b g a 封装的有限元模型9 5 温度循环载荷9 7 c b g a 封装结构的位移变形图9 8 剪切应力分布图( 2 个循环) 9 8 剪切应力分布图( 6 个循环) 9 8 剪切应力分布图( 1 0 个循环) 9 9 最右侧焊球的应力云图9 9 非弹性应变l 瞳热循环的变化1 0 0 最右端焊点的损伤演化1 0 0 最右侧焊点的空洞损伤演化1 0 1 p b g a 的封装断面结构1 0 1 p b g a 封装截面图一1 0 2 p b g a 封装结构有限元模型1 0 3 温度循环载荷1 0 4 p b g a 封装结构的位移变形图1 0 5 l x 浙江工业大学博士论文 图6 1 7 p b g a 封装结构的剪应力云图一1 0 5 图6 - 1 8 剪应力最大焊球的应力云图1 0 6 图6 - 1 9 剪应力最大焊球的损伤云图一1 0 6 表1 1已经开始应用的无铅焊锡7 表2 1a n a n d 模型参数2 2 表5 - 1 用于训练神经网络的数据库结构一一7 8 表5 - 2 用于神经网络输入和输出的归一化值7 8 表5 3 无铅钎料s n 4 0 a 9 0 5 c u 的模型参数8 6 表6 1 c b g a 封装中材料的主要参数一9 5 表6 2p b g a 封装中材料的主要参数1 0 3 x 浙江工业大学博士论文 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业 大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：圄俊日期：加唧年月1 3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 日期：w 年月1 3 日 日期：。7 年月【j 日 毋 名名签签者师作导 浙江工业大学博士论文 1 1 引言 第一章绪论 随着电子信息产业的日新月异，电子产品继续向小型化、便携式方向发展， 诞生了一些新型的s m t 、m 咧封装技术。微电子器件中焊点的形态和结构也发生了 很大变化，体积越来越小，组装密度也越来越离，而其所承受的力学、电学和热 力学载荷却越来越重，对可靠性的要求呈指数级增长l 。微电子封装中广泛采用的 c s p 芯片尺寸封装( c s p ) 、球栅阵列( b g a ) 等封装技术均要求通过焊点直接实现异材 间电气及刚性机械连接，它的质量与可靠性对电子产品的可靠性起着至关重要的 作用1 2 】。这就需要理解焊点的力学性能和物理性能，建立能准确描述材料力学性 能的本构模型，对材料在各种载荷条件下的损伤失效机理进行研究，以正确评价 焊点在微电子封装中的可靠性问题。 传统的锡铅焊料的使用可以追溯到青铜器时代，距今已有五千多年的历史【j j 。 由于铅具有毒性，大量使用会极大影响人的健康，造成严重的环境污染闯题，美 国、欧盟、臼本等发达国家和地区先后颁布法律法规限定铅、汞等有毒有害物质 在电子信息产品中的应用，我国信息产业部通过了电子信息产品污染防治管理 办法，对铅等有毒有害物质做出了相类似的规定。电子行业面临全面无铅化的 要求，对整个行业形成了巨大冲击，无铅焊锡已经成为世界的潮流。因此，迫切 需要寻找、开发新的可靠的无铅焊料，充分研究它们的材料性能，以使其能替代 传统的锡铅共晶焊料。目前微电子产业接受的无铅焊料主要是以锡为主要成分， 再添加少量其它成分，如a g 、c u 、b i 、s b 和z n 等。由于无铅焊料与传统锡铅焊 料的成分不同，因而它们的物理、力学和电学性能存在不同，和焊盘材料，如c u 、 n i 等的反应速率及反应产物也不尽相同，焊点在服役时表现出不同的可靠性。 文献表明1 4 。】，无铅焊料与工艺和可靠性有关的一些重要力学、电学和热学性 能与其微结构有着密切的关系。d a s g u p t a l 4 1 研究了焊点在受到热循环载荷时由于微 空洞引起的损伤萌生和扩展，指出微结构在加载过程中的演化对材料的物理特性 和可靠性有很大的影响，认为无铅焊料由于抗蠕变、润湿性及熔融温度等性能的 不同而导致其空洞对材料的影响要大于传统的锡铅焊料，致使无铅焊料和锡铅焊 浙江工业大学博士论文 料的可靠性问题有明显的不同。w a n g 5 】通过一系列的实验，比较了倒装芯片( f l i p - - c h i p ) 中锡铅共晶焊料和无铅焊料在温度载荷下的空洞特性得到了相同的结论。 随着实验技术的不断发展，可以观察到更小尺寸的、趋于纳米级的材料微观信息， 使人们认识到：材料的微结构演化和微损伤、微缺陷的萌生和生长对微电子封装 中无铅焊点的可靠性有着密切的关系。 近几年来，很多国内外研究人员对各种成分无铅焊料的材料性能和可靠性f 司题 进行了研究，取得了较多的成果。但是，大多数的理论和实验研究都是沿袭原有 的锡铅焊料的研究方法，大部分是基于材料无缺陷的，主要集中在不同材料组分 无铅焊料的粘塑性和蠕变特性，对于材料微观组织对材科性能的影响也大多是考 虑晶粒尺寸和金属问化合物在材料受载过程中的变化，而很少去考虑微观损伤对 材料的影响，建立宏观和微观之间的本质联系。这些成果虽然在一定程度上对无 铅焊料的研发和应用产生了较大的促进作用，但是由于没有深入研究无铅焊料与 锡铅焊料的差异性，特别是微结构组织演化和损伤过程的影响，因而具有一定的 局限性。 有鉴于此，本课题提出对“微电子封装中无铅焊料的损伤模型和失效机理研 究”，考虑无铅焊料在受载失效过程中的微结构演化和损伤机理，建立分析无铅 焊料力学性能和微结构损伤的实验系统，选取s n 4 o a g o 5 c u 和s n s b 8 5 为研究对 象，在不同温度和不同应变率条件下进行恒应变单轴拉伸实验；采用细观力学和 粘塑性一损伤力学方法对微电子封装中无铅焊点的损伤失效机理和过程进行研 究，结合可靠的实验数据，建立微电子封装中无铅焊料在热一机械载荷条件下损 伤失效的基本模型、基本方法和数值技术；并依此以大型有限元软件a b a q u s 的u m a t 子程序为基础，建立微电子封装中无铅焊料的热疲劳损伤失效机理和损伤过程分 析的数值仿真模块；进一步系统分析b g a 封装形式( p b g a 和c b g a ) 无铅焊料的热 疲劳行为和损伤过程。 1 2 微电子封装的现状与发展 半导体集成电路( i c ) 技术的发展，以及微系统产品应用上更轻、更薄、更短、 更小、功能更佳、价格更低廉的要求，促成了一连串的技术改进和突破。而封装 也受产品特性的驱动，在技术上产生了很大的变革。所谓封装，传统的定义是“提 2 浙江工业大学博士论文 供给i c 功率、电连接、冷却、保护、支撑及人机接口的方法或装置”。而在科技 快速发展的今日，这些封装功能，早已被视为是应用的基本功能。现在所期望的 是功能更好、价钱更便宜、外表更美观、易于携带等特性，这些对产品特性的要 求不断驱动了封装技术的变革及封装业经营形态的调整。 1 2 1 三级微电子封装 从硅圆片制作出各类芯片开始，一般微电子封装分为三个层次，如图1 一l 所 示f 6 。 图1 - 1 封装分级 所谓一级封装就是在半导体圆片裂片以后，用封装外壳将一个或多个集成电 路芯片封装成单芯片组件( s c l i ) 和多芯片组件( m 叫) ，并使芯片的焊区与封装 的外引脚用合适的方式连接起来，使之成为有实用功能的电子元器件或组件。一 级封装包含了从硅圆晶片裂片到电路测试的整个工艺过程，即我们常说的后道封 装，还要包含单芯片组件和多芯片组件的设计和制作，以及各种封装材料如引线 键合丝、引线框架、装片胶合环氧模塑料等内容。这一级也称芯片级封装。二级 封装就是将一级微电子封装产品连同无源元件一同安装在印刷电路板或其它基板 上，成为部件或整机。这级所采用的安装技术包括通孔安装技术( t h t ) 、表面 浙江工业大学博士论文 组装技术( s m t ) 、芯片直接安装技术( d c a ) 。二级封装还包括双层、多层印制 板、柔性电路板和各种基板的材料、设计和制作技术、这一级也称板级封装。三 级封装就是将二级封装的产品通过迭层、互连插座或柔性电路板与母板连结起来， 形成三维立体封装，构成完整的整机系统，这一级封装应包括连接器、迭层组装 和柔性电路板等相关材料、设计和组装技术。这一级也称为系统级封装。所谓微 电子封装是个整体的概念，包括了从一级封装到三级封装的全部内容。 1 2 2 微电子封装技术的发展 电子封装技术的发展是伴随着器件的发展而发展起来的，一代器件需要一代 封装，它的发展史应当是器件性能不断提高、系统不断小型化的历史，以集成电 路所需的微电子封装为例，其大致可分为以下几个发展阶段： 第一个阶段为8 0 年代之前的通孔安装( t h d ) 时代，通孔安装时代以t 0 型封装和 双列直插封装为代表，i c 的功能数不高，引脚数较小( 小于6 4 ) ，板的装配密度的 增加并不重要，封装可由工人用手插入p c b 板的通孔中，引线节距固定，引线数的 增加将意味着封装尺寸的增大，封装的最大安装密度是1 0 脚f ，随着新的封装 形式的不断涌现，这类封装加速萎缩。 第二阶段是8 0 年代的表面安装器件时代，表面安装器件时代的代表是小外形 封装( s o p ) 和扁平封装( q f p ) ，它们大大提高了管脚数和组装密度，是封装技术的 一次革命，正是这类封装技术支撑着日本半导体工业的繁荣，当时的封装技术也 由日本主宰，因此周边引线的节距为公制( 1 0 、0 8 、0 6 5 、0 5 、0 4 r i m ) ，并且 确定了8 0 的收缩原则，这些封装的设计概念与d i p 不同，其封装体的尺寸固定而 周边的引线节距根据需要而变化，这样也提高了生产率，最大引线数达到3 0 0 ，安 装密度达蛰j l o - 5 0 脚f ，此时也是金属引线塑料封装的黄金时代。 第三个阶段是9 0 年代的焊球阵列封装( b g ) 芯片尺寸封装( c s p ) 时代，日本 的半导体工业在8 0 年代一直领先于美国，而9 0 年代美国超过了日本，占据了封装 技术的主导地位，他们加宽了引线节距并采用了底部安装引线的b g a 封装，b g a 的 引线节距主要有1 5 n - m 乖n 1 2 7 n 悯种，引线节距的扩大极大地促进了安装技术的 进步和生产效率的提高，b g a 封装的安装密度大约是4 0 - 6 0 脚f ，随后日本将b g a 的概念用于c s p ，开发了引线节距更小的c s p 封装，其引线节距可小到1 o n r r 啦a 下， c s p 封装进步减少了产品的尺寸和重量，提高了产品的竞争力，随着c s p 在日本 4 浙江工业大学博士论文 的大批量生产，b g a 时代也就慢慢地过渡到了b g a c s p 时代。 封装业界普遍预测2 1 世纪的头十年将迎来微电子封装技术的第四个发展阶段 3 d 叠层封装时代一其代表性的产品将是系统级封装( s i p ：s y s t e mi nap a c k a g e ) ， 它在封装观念上发生了革命性的变化，从原来的封装元件概念演变成封装系统， s i p 实际上就是一系统基的多芯片封装( s y s t e m m c p ) ，它是将多个芯片和可能的无 源元件集成在同一封装内，形成具有系统功能的模块，因而可以实现较高的性能 密度、更高的集成度、更小的成本和更大的灵活性，与第一代封装相比，封装效 率提高6 0 - 8 0 ，使电子设备减小1 0 0 0 倍，性能提高1 0 倍，成本降低9 0 ，可 靠性增加l o 倍。 1 3 微电子封装中无铅焊料的使用 1 3 1 无铅焊料的使用背景 在几千年前的古埃及时代，人类就开始使用锡钎焊连接青铜器以及金银装饰 品。经过了很长的历史，在第二次世界大战后，锡钎焊的使用发生很大变化：开 始使用印刷线路板；自动化有了很大的进展；确立了热熔焊和波峰焊技术，应用 范围迅速扩大。与其它合金相比，锡钎焊价格低廉，以及低熔点、精细的微结构、 高强度和韧性，同时还具备良好的电气、机械和热性能( 如良好的导电性、疲劳 阻抗以及热导性等) 。因此，锡钎焊广泛的用于电子连接和组装中嘲，并在长期实 践中形成了成熟的生产工艺和完善的性能评价体系，推动了电子信息产业的飞速 发展。特别是电子产业转向表面组装技术及诸如倒装芯片、c s p 和b g a 等先进的封 装方式的出现，作为焊点材料的锡钎焊变得越来越重要。 然而，在十九世纪早期，铅的毒性在美国和法国的油漆工人中诊断出来。人 类逐渐认识到铅是一种有毒元素，随着大量电子产品的更新换代和电子垃圾的产 生，铅污染和铅中毒已经成为危害人类自身健康和生存环境的重要因素。世界上 一些发达国家和地区，以及各大电子制造公司已经制定了各自的无铅计划和时间 表，在电子制造业实行无铅化已势在必行。而相关的地区立法以及市场竞争则成 为电子产品无铅化最直接的推动力。 无铅化电子组装的提出最早始于美国( 1 9 8 9 年) ，由于人类对环境和健康的日 益重视及对世界电子市场的竞争驱动，无铅焊料在近几年来得到飞速发展，得到 5 浙江工业大学博士论文 了世界上大多数国家、地区和企业的关注。日本的n e d o 计划1 9 1 ( n e we n e r g ya n d i n d u s t r yt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n to r g a n i z a t i o n ) 、欧盟的i d e a l s 计划 i o l ( i m p r o v e dd e s i g nl i f e a n de n v i r o n m e n t a l l ya w a r em a n u f a c t u r i n go f e l e c t r o n i c sa s s e m b l i e sb yl e a d f r e es o l d e r i n g ) 及美国的n c m s 计划 i l l ( n a t i o n a lc e n t e rf o rm a n u f a c t u r i n gs c i e n c e ) 和n 酬i 计划( t h en a t i o n a l e l e c t r o n i c sm a n u f a c t u r i n gi n i t i a t i v e ) 都对无铅焊料合金的选择和开发提出 了相应的规划和路线图。特别是欧盟晚e e ( 废弃电力电子设备禁令，d i r e c t i v e0 n w a s t ee l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce q u i p m e n t ) 和r o h s ( 电力电子设备中禁止使 用某些有毒有害物质指令，d i r e c t i v eo nt h er e s t r i c t i o no ft h eu s eo fc e r t a i n h a z a r d o u ss u b s t a n c e si ne l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce q u i p m e n t ) 法案的通过 并于2 0 0 6 年7 月1 日的实施，更使全世界感受到无铅化的紧迫。一些日本电子制 造企业也积极推进无铅化电子产品，纷纷开展“绿色采购”活动，要求他们的供 应商提供绿色环保型产品，同时日本经济产业省也于2 0 0 3 年6 月2 0 日发表日本 国家标准- j i sz 3 1 9 8 ，其主题就是“无铅焊料的试验方法”，这也是世晃范围内 第一个与无铅焊料相关的国家标准。中国首部防治电子信息产品污染环境法规电 子信息产品污染控制管理办法也将于2 0 0 7 年3 月1 日实行。我国是电子信息产 品污染环境大国，加之世界电子制造中心向我国的转移，这就使我们面临前所未 有的铅污染压力，而我国无铅化研究起步较晚，所以积极开展无铅化研究尤为重 要。 1 3 2 焊料无铅化所面临的问题 由于环境和人类健康、法律和法规、以及市场竞争等因素的驱使，发展新的 无铅焊料取代传统的锡钎焊料，在电子产品中消除铅等有毒元素的影响，对此已 经达成共识。一种新的无铅焊料要有效的使用于电子产品的生产制造中，必须满 足许多条件和性能要求1 1 2 】： 熔点应接近锡钎焊( 1 8 3 ) 较好的润湿性 良好的电性能和热性能( 导电性，导热性) 良好的力学性能( 剪切强度，拉伸强度，蠕变抗力，热疲劳抗力) 合适的热膨胀系数 6 浙江工业大学博士论文 抗腐蚀 无毒性 成本价格可接受，原料储量充分 焊接后检修容易 从上世纪9 0 年代起，已经有许多研究集中于无铅焊料。遗憾的是，至今仍旧 无法找到一种满足以上条件的无铅焊料能最理想的替代锡钎料。在最近几年，制 造商开始使用独立的无铅生产工艺，同时发展了许多不同成分的无铅焊料，并申 请了专利。无铅焊锡的性能也逐渐为人们所认识。表i - i 中列入了一些已经开始 应用的无铅焊锡中具有代表性的焊锡材料。 表i - i 已经开始应用的无铅焊锡 合金系合金成分( w t )合金系 合金成分( w t ) s n 一3 5 h g s n c u 系s n - o 7 5 c u s n 一3 o a g - o 5 c us n - o 7 c