（材料加工工程专业论文）新型无铅焊料的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 传统的s n p b 焊料具有良好的润湿性和较低的熔点并且价格低廉，在电子 工业界中得到了广泛的应用，并形成了一套成熟的工艺体系。但是，由于铅具 有毒性，许多国家已经禁止了铅以及其化合物的使用。因此，随着欧盟r o l l s 指令法案和我国电子信息产品污染防治管理办法的实施，电子产品的无铅 化进程已全面展开。鉴于市场竞争压力与保护环境需要，无铅焊料的研究越来 越广泛。 在焊接过程中，焊料c u 衬底界面形成金属间化合物( i m c ) 是不可避免的。 界面上初始形成的i m c 层保证了焊点的良好的冶金键合。但是这些i m c 的过 快生长会强烈影响器件随后的可靠性。如果i m c 层过厚或是脆性的i m c 都会 对焊接处强度产生影响，脆性的i m c 对应力非常敏感，容易引起裂纹的萌生并 扩展，导致器件的过早失效。由于无铅焊料回流温度更高，容易导致过厚的i m c 层产生，从而引起焊点的失效，因此，对无铅焊点的界面反应进行研究具有重 要的意义。针对此问题，本文对本课题组已经开发的新型无铅焊料 s n 0 4 c o 0 7 c u 在回流及时效后的界面反应进行了详细研究。并计算得到对应 的扩散激活能。 表面贴装中，需要连接上高度稳定的高可靠性焊料来实现优良的机械和电 学性能。一种潜在的提高焊料机械性能的方法，是在焊膏中加入第二相微小颗 粒，可以是金属粒子或非金属粒子，通过所加的粒子在焊点中的均匀弥散分布 来达到弥散强化的效果。随着纳米技术的发展，多种纳米颗粒已被用来增强焊 料的性能，通过纳米颗粒阻碍位错的运动以及晶界的迁移，从而抵抗焊点的变 形，达到强化的效果。本文通过在共晶s n 5 8 b i 焊膏中加入纳米s n 一3 0 a g 0 5 c u 颗粒配制成b i m o d a l 焊膏，并对新焊膏回流焊接后观察焊点微观组织，测量其 显微硬度，并进行剪切强度和温度循环试验分析，评估其可靠性。 关键词：s n 0 4 c o 0 7 c u ；金属间化合物( i m c ) ；s n 3 0 a g 0 5 c u 纳米颗 粒；剪切强度；温度循环 v 上海大学硕上学位论文 a b s t r a c t t i na n dl e a d ，e s p e c i a l l y , t h ee u t e c t i ct i n - l e a da l l o y ( 6 3 s na n d3 7 p bb yw e i g h t ， e u t e c t i ct e m p e r a t u r e18 3o c ) h a sb e e nu s e da sm a j o rm a t e r i a lo fs o l d e rj o i n t si n e l e c t r o n i c si n d u s t r yf o ral o n gt i m eb e c a u s eo fi t so u t s t a n d i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha s c o s t ，l o wm e l t i n gp o i n t , w e t t a b i l i t y h o w e v e r , d u et ot h et o x i c i t yo fl e a d ，m a n y c o u n t r i e sh a v eb a n n e dt h eu s eo fl e a da n di t sc o m p o u n d s i ne u r o p e ，t h em o v e t o w a r d sl e a d - - f r e es o l d e ra l t e r n a t i v e sh a ss t e p p e d u ps i g n i f i c a n t l ya sar e s u l to f l e g i s l a t i o nw i t h i nt h ee u r o p e a nu n i o n t h ee u r o p e a nu n i o nh a sa p p r o v e dt h e d i r e c t i v e so nw a s t ef r o me 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 ( w e e e ) a n dr e s t r i c t i o n o fh a z a r d o u ss u b s t a n c e s ( r o l l s ) t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta c t i v i t i e sf o r r e p l a c i n gp b c o n t a i n i n gs o l d e r sw i mp b f r e es o l d e r sh a v er e c e n t l yb e e ni n t e n s i f i e d d u et ob o t hc o m p e t i t i v em a r k e tp r e s s u r e sa n de n v i r o n m e n t a li s s u e s d u r i n gt h es o l d e r i n gp r o c e s s ，t h ef o r m a t i o no fi n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d s ( i m c s ) b e t w e e nt h es o l d e rm a t e r i a la n dp a dm e t a l l i z a t i o ni si n e v i t a b l e t h ei m cl a y e r , w h i c h f o r m si n i t i a l l ya tt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h es o l d e ra n dt h ep a dm e t a l l i z a t i o n ，d u r i n g s o l d e r i n g ，e n s u r e sag o o dm e t a l l u r g i c a lb o n d h o w e v e r , t h ee x c e s s i v eg r o w t ho f t h e s e i m c sc a ns t r o n g l ya f f e c ts o l d e r a b i l i t y s o l d e r i n gw i t hl e a d f r e et i n - b a s e ds o l d e ra l l o y s d e m a n d ss u b s t a n t i a l l yh i g h e rp r o c e s s i n gt e m p e r a t u r e sc o m p a r e dt oc o n v e n t i o n a l t i n l e a ds o l d e r s ，r e s u l t i n gi nb o t hs i g n i f i c a n t l yg r e a t e rg r o w t hr a t e so fi m c s d u et o t h eb r i t t l en a t u r e ，t o om i c ki m cl a y e r sb e t w e e nt h es o l d e ra n dc u ( p a dm e t a l l i z a t i o n ) w o u l dl e a dt ot h ei n i t i a t i o na n dp r o p a g a t i o no fi n t e r f a c ed e l a m i n a t i o n i nt h i ss t u d y , t h ei n t e r f a c i a lr e a c t i o n s ，w e r ei n v e s t i g a t e da saf u n c t i o no fr e f l o w a g i n gt e m p e r a t u r e a n dr e f l o w a g i n gt i m e ，b e t w e e nt h en e w l yd e v e l o p e dl e a d - f r e es i 卜o 7 c u - 0 4 c o e u t e c t i cs o l d e ra l l o ya n de l e c t r o l e s sn i c k e l i m m e r s i o ng o l d ( e n i g ) c us u r f a c ef i n i s h f u r t h e r m o r e ，t h ea p p a r e n ta c t i v a t i o ne n e r g yw a sa l s oo b t a i n e da f t e rr e f l o w a g i n g t e s t i ns u r f a c em o u n ta s s e m b l i e s t h es o l d e r sa r eg e n e r a l l yd e m a n d e da1 1 i g hr e l i a b i l i t y w i t hl l i g hc o n n e c t i o ns t a b i l i t yt or e a l i z et h em e c h a n i c a la n de l e c t r i cf u n c t i o n so f v i 上海大学硕士学位论文 s o l d e rj o i n t s ap o t e n t i a lt e c h n o l o g yf o ri m p r o v i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa s o l d e r a l l o ya n dc o n s e q u e n t l yo fs o l d e rj o i n t s h a sb e e nr e p o r t e di st oa d d s e c o n d - p h a s em i c r o - p a r t i c l e st oas o l d e rm a t r i xi no r d e rt of o r mac o m p o s i t es o l d e r t h e s em i c r o p a r t i c l e sc a ne i t h e rb em e t a l l i co ri n t e r m e t a l l i c t h e s ec o m p o s i t es o l d e r s c a nb ed i s p e r s i o ns t r e n g t h e n i n go w i n gt oc o n t a i nt h ef i n es e c o n d - p h a s er e i n f o r c i n g p a r t i c l e sd i s p e r s e du n i f o r m l yi nt h es o l d e rm a t r i x w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a n o t e c h n o l o g y , v a r i o u sn a n o s i z e dp a r t i c l e sw e r es e l e c t e da sr e i n f o r c e m e n t si np r e p a r i n g c o m p o s i t es o l d e r s t h en a n o - p a r t i c l e so b s t r u c tm o v e m e n to fd i s l o c a t i o na n dp i ng r a i n b o u n d a r i e ss oa st op r e v e n tt h es o l d e rm a t r i xf r o mp l a s t i cd e f o r m a t i o n i nt h i ss t u d y , t h e b i m o d a l s o l d e rp a s t ew a sp r e p a r e db yt h o r o u g h l yb l e n d i n gt h en a n o s i z e d s n 一3 o a g 一0 5 c u ( s a c ) p a r t i c l e si n t o t h ee u t e c t i es n - b is o l d e rp a s t e t h es a c r e i n f o r c i n gs n b ic o m p o s i t es o l d e rp a s t ew a sp r i n t e do n t oe n i g c um e t a l i z e dp a d a n dr e f l o w e di nac o n v e n t i o n a lr e f l o wo v e n a f t e rr e f l o w , t h em o r p h o l o g yo ft h e a s s o l i d i f i e dc o m p o s i t es o l d e rw a so b s e r v e db ym e a n so fs e ma n dt e m t h ev i c k e r s m i c r o h a r d n e s sm e a s u r e m e n t sa n ds h e a rs t r e n g t ht e s ti n d i c a t e dt h a tt h ea d d i t i o no f s a cn a n o - p a r t i c l e se n h a n c e st h eo v e r a l ls t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t es o l d e r , a n dt h e r e s u l t sa g r e ew e l lw i t ht h et h e o r yo fd i s p e r s i o ns t r e n g t h e n i n g o t h e r w i s e ，t h et h e r m a l c y c l i n gw a sc a r r i e do u tt oe v a l u a t et h er e l i a b i l i t yo f b i m o d a ls o l d e rj o i n t s k e y w o r d s ：s n 一0 4 c o 一0 7 c u ；i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d s ( i m c ) ：s n 一3 o a g - o 5 c u n a n o p a r t i c l e s ；s h e a rs t r e n g t h ；t h e r m a lc y c l i n g v 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期： 上海人学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于国家科技部8 6 3 项目：新型无铅s n 基纳米焊膏制备技术研 究，项目编号：2 0 0 6 a a 0 3 2 3 3 9 。 1 2 课题研究的目的和意义 2 1 世纪以来，信息科学技术发展迅速，而微电子技术作为信息技术的基础， 其进展也十分显著。在微电子领域中，集成电路( i c ) 芯片制造和电子封装是 目前微电子产品制造的两大关键性技术。其中，电子封装在电子产品中起着信 号传输，散热及芯片保护的作用，是芯片功能得以实现的重要环节。电子封装 水平已经成为衡量电子产品的先进性和使用可靠性的重要标准。 在电子封装领域中，焊接互连技术是其中重要的组成部分。它对电子封装 起着电学连接、机械支撑和热交换等作用。传统锡铅焊料因具有廉价，易焊接， 成形美观，以及物理、力学和冶金性能好等特点而作为连接元器件和印刷电路 板的标准材料，并形成了一整套的表面贴装工艺，长期以来深受电子商家的青 睐。进入2 0 世纪后期，随着现代工业和科学技术的发展，人们对环境的保护 意识越来越强，传统的锡铅焊料由于含有毒金属元素铅，与当今环境与发展的 主题相背，这就注定其必须被替代。为此，在电子产业界，新型无铅焊料的开 发与研究已经迅速启动，并且进展很快。 目前，无铅焊料的研究已经在世界范围内取得了很多的成果。如s n 一0 7 c u 已经成为消费类无铅电子产品波峰焊组装的主要选择【1 】； s n a g - c u 则作为最 具有代表性的无铅焊料，目前在世界范围为回流焊组装工艺广泛采用 2 】。但是 无铅焊料熔点高于锡铅焊料熔点1 8 3 0 c ，回流时金属间化合物生长影响了焊点 的可靠性，这就使无铅电子产品的应用和推广受到限制。因此，本文以 s n 0 4 c o 0 7 c u 为研究对象，对此种无铅焊料的回流及时效可靠性进行了比较 系统的实验研究；另一方面本文着力于无铅b i - - m o d a l 焊膏的研究，通过在微 上海大学硕士学位论文 米粉中加入纳米颗粒，形成一种性能优良的新型无铅焊料，并对其性能进行了 测试。 1 3 微电子封装技术的发展 1 3 1 微电子封装的定义 微电子技术的核心，即集成电路，是发展电子信息产业和各项高技术不可 缺少的基础，而集成电路i c 功能的实现，则需要依靠封装技术。电子封装主要 是在微电子元器件的后道工艺( 前道工艺即为流片，即集成电路芯片制造) 流 程中完成，其早期狭义的定义为元器件封装。在元器件封装中，利用键合技术 及微细连接技术，将集成电路芯片排布在框架或基板上，进行固定及连接，并 引出接线端口，最后通过绝缘塑料或陶瓷等其他材料进行保护，从而构成元器 件整体结构。目前，电子封装已经扩展为早期狭义的封装加上组装工艺及基板 技术的总和。将半导体、电子器件所具有的电子的、物理的功能转变为可以实 际使用的整机或系统的形式，并使之为人类社会服务的科学与技术，统称为电 子封装工程【3 1 。 如图1 1 所示，对大规模集成电路和超大规模集成电路而言，其封装可以 分为四个层冽4 】： 图1 1 电子封装中的前三级封装 2 上海大学硕士学位论文 零级封装：芯片制造。 一级封装：元器件封装，将芯片封装成单芯片组件和多芯片组件。 二级封装：基板的组装，包括通孔插装技术、表面贴装技术，也包括不经 过元器件封装的芯片直接贴装技术。 三级封装：子系统的组装，将二级封装插到母板上。 四级封装：整机电子系统如手机、电脑等的组装。 电子封装的功能是对集成电路芯片进行电源分配、信息传输、散热和芯片 保护，并且将芯片部分和外部环境进行电气和机械连接【5 ，6 1 ，如图1 2 所示。 ( a ) s i g n a ld i s t r i b u t i o n( c ) h e a td i s s i p a t i o n ( b ) p o w e rd i s t r i b u t i o n( d ) p a c k a g ep r o t e c t i o n 图1 2电子封装的四种作用示意图 实际上，集成电路的应用越来越广泛，集成电路若无封装保护，其性能无 法实现。因此，集成电路封装是集成电路各种性能得以实现的重要保证。 1 3 2 焊料在电子封装中的应用 焊接技术是电子封装工程中一个重要的组成部分。焊接是指熔点较高的两 种金属通过熔点较低的第三种金属相连接的过程。其主要的工艺特征是：用焊 剂将待焊接的金属表面清洁( 去除表面氧化物等) 并使之对焊料具有良好的润 3 上海人学硕士学位论文 湿性，熔融的焊料润湿金属表面，然后冷却固化形成焊点并在焊料和被焊金属 之间形成一薄层金属间化合物( i m c ) t 7 1 。焊料作为一种连接材料，在电子封装中 担负着机械连接、电气连接和热交换等任务，已广泛地应用在各级电子封装中。 在二级封装( 将元器件或封装好的芯片组件组装到印刷电路板( p c b ) 上) 中， 焊料是主要的连接方式。实际上，几乎所有的微电子设备都是靠焊料封装到p c b 板上的，其方法主要有两种：通孔插装方式( p t h ) 和表面贴装技术( s m t ) ， 如图1 3 【1 】和图1 4 【1 】所示。 图1 3 电子元器件通过通孔技术连接在印刷电路板( 横截面图) 图1 4 电子元器件通过表面组装技术连接在印刷电路板( 横截面图) 通孔插装方式是指封装芯片的引脚插入到p c b 的通孔并加以焊接从而实 现器件和基板的连接。而表面贴装技术是指封装芯片的引脚直接安放在p c b 上 加以焊接从而实现器件和基板的连接。与通孔插入式封装相比，表面贴装技术 的优势在于可以缩短引脚间距提高封装密度，同时还可以利用p c b 的正反两个 面来进行封装从而进一步提高封装密度。目前，应用表面贴装技术的封装方式 主要有：四边扁平封装( q f p ) 图1 - 5 ( a ) 、小尺度双列封装( s o p ) 图l 一5 ( b ) 、 球栅阵列封装( b o a ) 图1 - 5 ( c ) 、片式无源元件系列图l - 5 ( d ) 等。 4 m ) 小尺度烈列封装 冬 c ) 球栅阵列封装q ) 片式无源元十 _ 幽1 - 5 表【矗f 贴装技术的主要封装形式 1 4 无铅焊料研究背景 41 无铅焊料发展的重要进程 电子封装组装作为电予产品生产的部分，使用r 焊膏、焊线和焊棒，其 巾焊膏内焊料合会巾铅的肯量在4 0 左右。众所周知铅足有毒的会属，戍被取 代。另外，锡铅焊膏性能也已不能完全满足电子产品的要求。所以，在上1 廿纪 术，采用无铅焊膏已经势在必行。 1 9 9 1 和1 9 9 3 年：美国参议院提出“r e i db i l l ”，要求将电子焊料中铅含量控 制在01 以下，遭到美困工业界强烈反对而夭折： 1 9 9 1 年起n e m i ，n c m s ，n i s t , d i t , n p l , p c i f , i t p d ，j i e p 等组纵相继丌展 无铅焊料的专题研究，耗资超过2 0 0 0 万美元，目前仍在继续； 1 9 9 8 年：日本修订家用电子产品再生法，驱使企业界开发无锚电子产品： 1 9 9 8 年1 0 月：第一款批量生产的无铅电子产品问1 廿，p a n a s m f i cm i n i d i s c m j 3 0 ： 上海大学硕士学位论文 2 0 0 0 年1 月：n e m i 向工业界推荐标准化无铅焊料，s n 3 9 a g - 0 6 c u 用于 再流焊，s n 0 7 c u 或s n 一3 5 a g 用于波峰焊； 2 0 0 0 年6 月：美国i p cl e a d f r e er o a d m a p 第4 版发表，建议美国企业界 于2 0 0 1 年推出无铅化电子产品，2 0 0 4 年实现全面无铅化； 2 0 0 0 年8 月：日本j e i t al e a d f r e er o a d m a p1 3 版发表，建议日本企业 界于2 0 0 3 年实现标准化无铅电子组装； 2 0 0 2 年1 月：欧盟l e a d - f r e er o a d m a p l 0 版发表，根据问卷调查结果向 业界提供关于无铅化的重要统计资料； 2 0 0 3 年2 月1 3 日，欧洲议会与欧盟部长会议组织，正式批准w e e e 和r o h s 的官方指令生效，强制要求自2 0 0 6 年7 月1 日起，在欧洲市场上销售的电子产 品必须为无铅的电子产品( 个别类型电子产品暂时除外) ； 2 0 0 3 年3 月，信息产业部拟定电子信息产品生产污染防治管理办法， 提议自2 0 0 6 年7 月1 日起投放市场的国家重点监管目录内的电子信息产品不能 含有p b t 9 1 。 1 4 2 无铅焊料的研究概况 目前国际上公认的无铅焊料定义为【1 0 】：以s n 为基体，添加a g ，c u ，s b ， i l l 等合金元素，其中p b 的质量分数低于o 2 ，主要用于电子组装的软焊料合 金。在此基础上无铅焊料应满足以下条件【1 1 , 1 2 】： 1 熔点低，合金共晶温度近似于6 3 s n 3 7 p b 的共晶温度1 8 3 ，大致温度 范围在1 8 0 2 2 0 之间； 2 无毒性，不污染环境； 3 焊接后的导电性、导热性能好； 4 润湿性能和力学性能良好； 5 焊点有足够的机械强度和抗热老化性； 6 要与现有的焊接设备和工艺及目前使用的助焊剂兼容； 7 导热性和电导率与6 3 s n 3 7 p b 相近； 8 各焊点检修容易，成本低，选用的材料能保证充分供应。 6 上海人学硕士学位论文 根据以上条件，最有可能替代s n p b 焊料的无毒合金是s n 基合金【1 3 , 1 4 。焊 料主要以s n 为主，添加能产生低温共晶的a g ，z n ，c u ，s b ，b i ，i n 等。目前， 主要集中在s n - z n ，s n i n ，s n - s b ，s n c u ，s n a g 等体系。 近十余年，人们对无铅焊料的研究日益深入，应用领域日益扩大，加快了 无铅化的进程。表1 1 1 1 5 - 1 8 1 列出了当今主要的几种无铅焊料的基本性能及应用领 域。 表1 1 几种无铅焊料的优缺点及应用领域 7 上海大学硕士学位论文 1 4 3 锡银铜系无铅焊料 目前，无铅焊料s n a g c u 焊料是在原使用性较好的s n a g 焊料基础上 加入了c u ，形成比s n a g 共晶温度低，可靠性和可焊性更好，具有浸润性好、 抗热疲劳等优点，而且减缓了基板c u 的溶解的高性能无铅焊料。已完成的研 究工作都表明：这种合金的表现非常稳定，而且s n ，a g ，c u 都是电子封装行 业中使用最为普遍的元素。因此，s n a g c u 合金逐渐成为无铅焊料的主流 标准焊料【l9 1 。但是由于其大量使用了贵金属a g 必然导致电子产品成本增加。 1 4 4 锡铋系无铅焊料 s n b i 系无铅焊料，通常是作为低温焊料使用，如s n 5 8 b i 焊料，熔点是 1 3 9 ；s n 4 0 b i 焊料，熔点是1 3 9 1 7 0 。较高的铋含量比率可以大大降低焊 料的熔点，但合金则脆性较强，由于焊料的熔点低，也限制了制品的使用温度 范围。铋还可以改善焊料的熔融态润湿性能，但较高的氧化速率也会抵消其效 果。在s n b i 系无铅焊料的研究中，通常是以s n 5 8 b i 共晶焊料为基本，适量 的添加a g ，c u 等元素组成的替代s n p b 共晶的s n b i 系无铅焊料。 1 5 电子封装中的可靠性 1 5 1 可靠性概述 电子产品在我们的生活中无处不在。在这些产品中，电子封装技术起着举 足轻重的作用。随着i c 制造业的迅速发展，电子封装产业面临着越来越大的挑 战。随着对高性能、大功率、小型化在电子产品中要求的不断扩大，电子封装 正从周边引线( p e r i p h e r a l l e a d ) 封装向平面阵9 0 ( a r e aa r r a y ) 无引线封装趋势发展。 由于焊点既能作为电气通道，又能在芯片和基板之间提供机械连接同时提 供散热通道，所以它在电子封装中得到广泛的应用。因而焊点的可靠性问题是 电子产品设计制造和使用时的核心问题之一。电子封装件的焊点在服役过程中 伴随着循环的热机械应力作用，极易发生热疲劳和蠕变。因此如何预测评估它 上海大学硕上学位论文 的可靠性和寿命就变得非常迫切。 电子封装的可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能 的能力。可靠性贯穿整个产品设计、制造过程。在评价、分析产品时，可靠性 实验是一种最通用的方法，一般通过对受试件施加一定“载荷”，如电、热、机 械加载或者综合，考察样品的各种性能参数是否符合技术指标，从而判断样品 的承受能力和是否失效。常用方法有：振动、剪切、引线强度和键合强度等机 械试验；温度循环、温度冲击、高温存储、湿热、高压蒸汽等环境试验。 考虑到焊点失效的时间关联度，大致可以分为三个不同的时期： 1 初期失效阶段，主要是焊点固有质量缺陷或工艺操作不当或装卸造成 少量的焊点失效； 2 随机失效阶段，该阶段焊点对环境应力的适应性如何，需通过疲劳试 验对焊点进行分析、评价，验证焊点的可靠性； 3 耗尽失效阶段，其失效主要包括化学的、冶金的、热一力学行为等因 素的累积效应造成的，如焊锡与被焊基板间长期的金属互扩散反应或应力应变 累积造成焊点疲劳失效。焊点失效的最主要的表现就是裂纹，裂纹一般产生在 焊料和焊盘的界面处，产生的原因主要由不同材料之间热膨胀系数失配和界面 金属间化合物等问题引起。 为了及时地得到产品设计后的疲劳试验数据，工业界通常进行加速疲劳试 验，即给试件以更苛刻的载荷进行试验。目前，电子工业界在评估焊点可靠性 时，一般采用功率循环、温度循环和机械循环等三种加速疲劳测试方法： 1 进行焊点的加速疲劳试验，即功率循环试验，是一种最接近实际使用 条件的试验方法，但试验时间长，无法在较短的时间内获得合理的试验结果。 2 温度循环试验，适用于热膨胀系数失配较大的体系，如在f r 4p c b 上 组装陶瓷器件等。工业界除使用温度循环( 单室) 试验外，还使用温度冲击( 双 室) 试验，它也是一种加速热疲劳试验方法。温度循环试验和实际情况下电子 产品的工作环境类似，可以在较短的时间内获得和实际过程中出现的类似失效 模式。目前，温度循环试验是焊点可靠性评估中最为常见的加速疲劳试验手段。 3 机械循环疲劳试验，是一种高度加速的疲劳试验方法。和温度循环试 9 上海大学顾学位论立 验相比，机械循环疲劳试验更侧重于研究材料本征属性，而非器件或产品的可 靠性。 152 剪切力对焊点可靠性的影响 表面封装元器件的焊点常常由于热失配、器件经受外力等原因发生剪切损 伤。矗好的焊点剪切强度是器件高可靠性的重要保障。 h w a - t e n gl e 0 ”i 通过焊料将两段长1 5 r a m 铜丝的两端头焊接在一起，通过 特制的夹头固定铜丝，对焊点剪切强度进行测试，如图1 6 ( a ) 所示。在l e e 的 方法中，由于试样的尺寸较小，铜丝对焊的质量对焊点剪切强度有较大的影响， 另外，焊点的厚度也是一个影响剪切强度测试精度的因素，图1 - 6 0 ) 是钡4 试后 焊点的变形照片。m i l o s d u s e k 等人给出了另一种羽4 焊点剪切强度的方法，如图 1 7 所示。 。簟j 簟_ 盆。 嗣”需 ( a ) 试样( b ) 剪切测试后的试样 图1 6l e e 等人的剪切强度测量 图1 7 剪切试验 上海人学硕士学位论文 图1 - 8 是s n - a g - c u 焊料在c u 和n i p 基板上的焊点剪切强度随时效时间而 变化的曲线。在前1 4 5 h 的老化时效过程中，剪切强度下降很快，而时效3 0 0 h 和 5 0 0 h 后，焊点剪切强度有小幅度的提升，之后，焊点剪切强度缓慢降至最低值。 n i p 基板上的焊点经过1 0 0 0 h 热时效后剪切强度比c u 板上的焊点下降更大。 嚣 鞭 黧 奄舅 蕊 霹柏 餐 k 毒 舡 一 、 静 ? o 烈埒o 巷 舅擒 1 0 0 0 热时效聪瓣h 图1 - 8s n a g - c u 焊料在c u 和n i p 基极上焊点剪切强度随时效的变化曲线捌 1 5 3 温度循环对焊点可靠性的影响 焊点疲劳失效的一个重要原因是由于焊点一侧的电子器件和焊点另一侧的 电路板之间的热膨胀系数失配。电子器件工作时会因承受功率而发热，停止工 作时又会变冷。当温度变化时，电子器件和电路板之间膨胀幅度的差异导致了 作为连接材料的焊点承受周期性的应力，并在焊点中产生塑性应变，塑性应变 积累导致失效，称为热机械疲劳失效。典型的电子封装用材料的热膨胀系数 ( c o e 衔c i e n to f t h e r m a le x p a n s i o n ，c t e ) 如表1 2 所示。由于热膨胀系数的差 异，在服役过程中，集成电路工作时和不工作时升降温造成温度循环效应，焊 点就会承受反复的应力和应变循环( 如图1 - 9 ，1 1 0 所示) 。所以焊点的疲劳行为 和对焊点的寿命进行预测，一直是焊点可靠性研究的重要内容。 上海大学硕士学位论文 c t e ( p p n v c 1 25 - 27 1 6 1 82 52 61 7 ( a ) 00 。a o f 口- r i c m o d i 衄 f r , 4 )u b 图1 - 9 器件在温度变化时的形变示意图1 2 3 1 ( a ) 倒装芯片与f r 4 基板间焊点示意图( b ) 芯片中心区域的焊点 ( c ) 芯片右侧位移1 0 0 r e 的焊点( d ) 芯片左侧位移1 0 岬的焊点 图1 1 0 倒装芯片焊点及苗片中心和两侧焊点的形变阱1 上海大学硕上学位论文 电子封装中的焊点一般承受的应变在1 2 0 之间。对于通孔工艺组装的 器件，器件的柔性引脚会吸收由于热失配引起的大部分应变，焊点真正承受的 很小。而在表面贴装工艺中，应变则基本上是由焊点来承受，这样就易于致使 焊点中裂纹的萌生和扩展，最终导致焊点的连接失效。 温度循环试验是目前评估微电子器件互连焊点在实际服役条件下可靠性的 常用物理试验方法，其适用于存在较大热膨胀系数( c t e ) 失配器件，通常是 器件和基板之间的热膨胀失配大于3 p p m c 。应当指出，在温度循环中，高低 温恒温段的保持温度和保持时间以及温度变化的速率都是重要因素。由于在加 速试验中高温段和低温段下保温时间要比实际工作中的时间短，因此应力松弛 并不充分，试验得到的焊点的疲劳寿命会远小于实际服役条件下的疲劳寿命。 但由于失效机制相似，仍可通过合理折算而有效验证焊点可靠性。如果采用真 实条件下的温度循环试验，试验周期长，成本高，在实际上往往因拉长了设计 试验周期而无法被接受。温度循环试验可以加速疲劳失效过程，是评估焊点可 靠性的一个重要手段。 目前，应用于焊点可靠性测试的温度循环试验已有多种标准，其保持温度 和保持时间以及温度变化速率也各不相同。常见的除单室热循环试验外，还常 使用双室热冲击试验，即样品在两个极端温度下作急剧变化。典型的温度试验 是将样品置于5 5 。c 的环境中一段时间后再瞬间转移至另一温度为1 2 5 的环境 中，如此循环测试并记录试验结果。对于电子产品的焊点可靠性试验，常使用 美国军方标准m i l s t d 8 8 3 dm e t h o d1 0 1 0 7 和电子元件工业联合会( j o i n t e l e c 仃o nd e v i c ee n g i n e e r i n gc o u n c i l j e d e c ) 的j e s d 2 2 a 10 4 温度循环标准【2 4 1 。 一般军用电子的温度循环标准为5 5 。c 一1 2 5 ，民用电子为o * c 1 0 0 。 1 5 4 金属间化合物( i m c ) 对焊点可靠性的影响 在焊接过程中，在焊料与基体界面处形成金属间化合物是不可避免的。当 焊料熔化后，界面上就开始了固液反应。熔融焊料在焊盘浸润并铺展，并生成 一层很薄的金属间化合物，形成冶金键合从而实现界面连接。而反应的产物即 为界面上形成连续的金属间化合物( i n t 锄e t a l l i c sc o n l p o 蚰d s ，c ) 。当分析焊 1 3 上海学碰十学也论文 点时，一个重要方面即是检查界面卜金属问化合物是否形成。一般来讲，如果 i m c 没有形成或没有连续形成则说明没有焊接好，可能形成虚焊。反之，如 果界面上形成了完整、连续的会属间化合物，则说明焊接质量可靠。 m n i s l a m 口“等人对s n z n 、s n z n b i 和s n a g - c u 焊料界面反应做了研究， 并与传统锡铅焊料进行了比较，如图l 1 1 所示。在s n - z n 基焊料界面形成了y c u s z n 8 和b c u z n 金属间化台物层；在s n - p b 和s n a g _ c u 焊料界面形成了 c t t s n 5i m c 层：c uz ni m c 层厚度火于其他焊料i m c 层厚度，并且其彤貌有 很大差别，c uz n i m c 层呈扁甲状结构，而c a s n i m c 层呈扇贝状结构。 ( 鸶幽隳蝌瞰 ( 酊s n - e n 界血i 伪) s n - z n - b i 界面( c ) s g _ c u 界而( d ) s n - p b 界向 图1 - 1 1 回流1 分钟后c u 焊料界面反应 金属问化合物的一般特点是熔点高，晶体结构对称性低，因而比较脆，所 以一方面金属间化合物的形成是焊接质量可靠的标志。但另一方面，如果金属 上海大学硕士学位论文 间化合物太厚则会对焊点可靠性产生不良影响。界面金属间化合物的形成及其 在焊点服役过程中的演化极为复杂，与焊料、被焊接界面材料、成分、印制电 路板焊盘表面涂层、焊接手段、焊接工艺参数等密切相关。 界面上的金属间化合物是影响焊点可靠性的一个关键因素。其形成不但受 回流焊接过程中温度、时间的控制，而且在后期的服役过程中其厚度也会随着 时间的延长而增加【2 6 1 。不同的回流温度和不同的回流时间都直接影响了金属间 化合物的厚度，图1 1 2 所示为同一回流温度下，不同的回流时间对i m c s 层厚 度的影响。 oe a 1 2 0 1 6 0 r e f i o wt i m e m i n u t e s 图1 1 2 金属间化合物厚度与回流时间的关系2 7 1 不同的老化时效温度与时间同样影响了金属间化合物的厚度，图1 1 3 所示 为不同的焊料在同一时效温度下，不同的时效时间对i m c s 层厚度的影响。一 般说来，起初焊料和基体反应形成的金属间化合物能增加焊料对基体的润湿， 确保了良好的冶金键合。但由于i m c s 的本征脆性，在老化和服役过程中，随 着金属间化合物的厚度增加，焊点的力学性能急剧下降，会导致焊点提前失效。 1 5 5 o 5 o 尸cin”ociuc_o=一 上海大学硕士学位论文 图1 1 3 在1 5 0 。c 时效时，金属间化合物厚度与时效时间的关系2 8 】 1 6 一en)致蚤idi。i暑ol趸虫薹一墨 上海大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章s n - 0 4 c o - 0 7 c u 的回流实验 无铅焊料，在用于电子产品中时就必须考虑它的长期可靠性。大多数无铅 焊料都是s n 基焊料，例如：s n - a g , s n - b i ，s n - a g - c u ，s n - z n - b i 等，其熔点高于 共晶的s n - 3 7 p b ，这就意味着无铅焊料回流焊温度比s n p b 高，导致在回流焊 接过程中焊球与镀层之间的金属间化合物( i m c ) 生长更快。 初始形成的薄层i m c 保证了焊料与基板之间有良好的冶金键合。但是这些 i m c 的过快生长会强烈影响器件随后的可靠性。如果i m c 层过厚或是脆性的 i m c 都会对焊接处强度产生影响，脆性的i m c 对应力非常敏感，容易引起裂纹 的产生并扩展，导致器件的过早失效。 目前，s n - - a g - - c u 合金逐渐成为无铅焊料的主流标准焊料。但是由于其 大量使用了贵金属a g 必然导致电子产品成本增加。从经济角度来说，无铅焊 料最好由s n 、c u 、z n 等元素构成。但由于z n 元素较活泼，s n z n 系焊膏产品 保质期相对较短( 有效存放时间9 0 天) ；而省略a g 的共晶s n c u 焊料熔化温 度为2 2 7 c ，比s n a g - c u 焊料高出1 0 c ，过高的温度不利于实现回流工艺与回 流前包括芯片制造、印刷电路板制造等各工艺的兼容，因此未能被广泛接受。 然而，在焊料中添加c o 和n i 等合金元素能改善合金的凝固组织并抑制焊 点界面处金属间化合物