（材料物理与化学专业论文）无铅焊料的热老化可靠性研究和新型焊料的开发.pdf

摘要 捅荽： 在无铅焊料被广泛地运用到微电子封装形式当中。s n a g c u 和s n a g b i 等 无铅焊料被用于取代s n p b 焊料，焊料材料和工艺温度的差异造成的焊接可靠性 问题成为了我们关心的问题。本论文选取典型的s n 3 0 a g 0 7 c u 和 s n 3 0 a 、3 o b i 的无铅焊料以及c u 和n i p 镀层的焊点作为研究对象。进行了以 下的实验内容：运用一种刨新的剪切试验方法，选取现在流行的s n - a g c u 系的 焊料对其在c u 和n i p 板上的剪切力进行比较，并且观察其界面i m c 的结构和 成分；s n 3 0 a g 0 7 c u 在n i p c u 界面上的焊点进行了固相老化和液相回流的试 验，对两种条件下金属化合物( i m c ) 的生长、形貌及其对焊点可靠性的影响进 行了研究；还考察了s n a g b i 与s n a g c u 在n i p 上的剪切力比较以及断面微 观结构；最后，研发了一种新型无铅焊料s n 3 0 a g 0 5 c u 3 0 b i 0 1 n i ，并对其性 能进行研究，发现其优良的力学性能和浸润性可应用于微电子封装的b g a 等焊 接中。 关键词：无铅焊料、可靠性、n i p 镀层、剪切试验、新型焊料 a b s t r a c t ： l e a df r e es o l d e ri sw i d e l yu s e df o rs o l d e r j o i n t si nb g a p a c k a g i n g ，b e c a u s eo f t h ec o n s i d e r i n go f e n v i r o n m e n tp r o t e c t i n g s n a g c ua n ds n a g c ua l l o y sa r eg o o d c h o i c e sf o rt h es u b s t i t u t eo f s n p b h o w e v e r , b e c a u s eo f d i f f e r e n tm a t e r i a l sa n d p r o c e s st e m p e r a t u r ei np r a c t i c a lu s a g e ，t h er e l i a b i l i t yo f s o l d e r j o i n t si ss t i l lap r o b l e m i nt h et h e s i s ，an o v e ls h e a r i n gt e s tm e t h o dw a su s e dt om e a s u r et h es h e a r i n g s t r e n g t ho fs n a g c us o l d e ro nc ua n dn i - pp a d a n dt h es t r u c t u r eo f t h ef r a c t u r e l o c a t i o na n dt h ec o m p o s i t i o n so fi m cw e r ea l s oo b s e r v e d ；t h et e s to fs n - - a g - c u s o l d e ro nn i pp a dw i t ht h et h e r m a lt r e a t m e n ta td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ：5 0 。c a g i n g a n d2 5 0 c ，w a su s e dt os t u d yt h eg r o w t h ，m o r p h o l o g y , c o m p o s i t i o n so f t h ei m ca t d i f f e r e n tp r o c e s s i n gt e m p e r a t u r ea n dt h e i re f f e c to n j o i n tr e l i a b i l i t y ；t h es h e a r i n gt e s t c o m p a r i s o no fs n a g - b ia n ds n - a g - - c ud e d i c a t e dd i f f e r e n ts h e a r i n gs t r e n g t ha n d m i r c o s t r u c t u r eo ff r a c t u r el o c a t i o n ；i nt h ee n d ，an o v e ll e a df r e es o l d e r s n 3 o a g o 5 c u 3 o b i o 1 n iw a si n v e n t e da n di t sg o o dw e t t i n gp e r f o r m a n c ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r es u i t a b l ef o rb g a p a c k a g i n g k e yw o r d s ：l e a df r e es o l d e r , r e l i a b i l i t y , n i - p ，s h e a rt e s t ，n o v e ls o l d e r 复旦大学硕士学位论文 第一章：背景介绍 1 1 微电子封装无铅化进程 封装不仅具有安装、固定、密封、保护芯片和增强芯片散热的功能，还是沟 通芯片内部功能和外部电路的桥梁。所以电子封装直接影响着集成电路和器件的 电、热、光、机械性能还影响其可靠性和成本，同时电子封装对系统的小型化也 起着关键作用。 自1 9 5 8 年第一块集成电路问世至今，仅仅几十年时间，微电子产业的核心 技术即集成电路技术，就己经历了五个时代小规模( s s i ) 、中规模( m s i ) 、大规模 ( l s d 、超大规模( v l s i ) 和巨大规模集成电路( u l s o 。而封装形式也经历了从最初 的双列直插式( d i p ) 到8 0 年代四边扁平式封装( q f p ) 直到9 0 年代的球栅阵 列封装( b a l lg r i da r r a y ) ，甚至还有更加先进的倒转芯片封装( f l i p c h i p ) 等封 装形式。封装的趋势也是体积越来越小，间距越来越小，散热越来越快，可靠性 越来越高，封装晶圆越来越大。这些变化充分体现了封装的功能的强化和成本减 低的目的。 随着电子技术的发展，各种新材料新技术被采用到电子产品中。球栅阵列封 装( b a l lg r i da r r a y ) 是封装效率比较高的封装形式，很多成熟的电子产品都采 用了b g a ，例如i m e lc h i p s e t 芯片、s a m s u n g 记忆体芯片等。图1 1 就是一个 b g a 封装的截面图。b g a 封装中通过焊球( s o l d e r b a l l ) 将芯片( d i e ) 中的电 信号引出。 图1 1 球栅阵列封装截面图 f i g 1 1t h ec l - o s s e c t i o no f b g ap a c k a g e 而“绿色环保”概念就是这些新发展中越来越被人重视的一方面。很多传统 的电子产品中都含有铅( p b ) ，铅是一种对人体有害的重金属物质。其主要的毒 性和危害是对儿童大脑发育和神经系统的影响，包括孕妇腹中的胎儿。主要的铅 复旦大学硕士学位论文 污染来自工业废弃品中通过渗入地下水而进入动物或人类的食物链，然后在血液 和人体中沉积【l 】。报废的电气电子设备( w e e e ) 中含有大量的铅。这些铅都是 在电子焊接中所使用的铅锡焊料。“绿色环保”很重要的一部分就是对组装 ( a s s e m b l y ) 过程中的焊接材料和工艺进行无铅化。组装过程是指将封装好的芯 片通过焊接的方式联结到印刷电路板上( p c b ) 的过程。如图1 1 所示b g a 封装 中所使用的焊球( s o l d e rb a l l ) ，焊接时使用的焊膏( s o l d e rp a s t e ) ，都需要进行 无铅替代。 针对于电子产品的无铅化，w e e e 指令进行了严格的时间规划：2 0 0 6 年7 月1 日是欧盟各成员国的最后期限。根据中国信息产业部的法令电子信息产品污染 控制管理办法( 第3 9 号) ，中国大陆是2 0 0 7 年3 月l 目施行无铅化标准1 2 】。届时， 所有电子产品中绝大部分的铅将被消除或被其他金属取代。但是，对于一些特殊 的用途的、无法替代的铅的应用还将继续下去，只是逐步缩减其用量。例如：荧 光灯玻璃中的铅、阴极射线管f 3 】中的铅以及封装过程中所使用的高熔点焊料。如 图1 2 所示为使用高铅焊料焊球( s o l d e rb u m p ) 的倒转芯片连接( f l i p c h i p ) 。 图1 2 倒转芯片连接封装形式的截面图 f i g 1 2t h ec r o s s e c t i o no f f l i p - c h i pp a c k a g e 图1 2 中使用的高铅焊球为s n 5 p b 9 5 ( 讯) 成分，这种焊料的熔点可以达 多j 3 0 0o c 以上【4 1 ，目前还没有其他的无铅焊料可以替代其在封装中的作用和地位。 但是这些高铅材料在整个器件的焊接材料中只占5 的比重。所以消除剩余的 9 5 的铅，成为了无铅化的当务之急。如图1 1 和图1 2 中的焊球即这9 5 中的很 大一部分，使用无铅焊球将无疑是“绿色环保”很有效的一种方式。而这种作法， 也正是目前产业界和学术界关注研究的重点。 1 2 无铅焊料的种类和性能 用于电子焊接中传统的焊接材料是铅锡焊料s n 6 3 p b 3 7 ( 埘) ( s n 6 3 p b 3 7 ) 共金合金( e u t e c t i c a l l o y ) 。铅锡合金有很多的优点，例如：合金的熔点1 8 3 ， 复旦大学硕士学位论文 较低的液态表面能浸润性好，很好的机械性能以及成本低廉。而成本低廉和取材 方便是铅锡焊料最大的优势。可以说除7 p b 有毒以外，铅锡焊料几乎是用于电子 焊接最好的焊料。 因此，当要进行无铅化的时候，首要要解决的问题就是材料问题：使用何种 合金来取代传统的s n 6 3 p b 3 7 。在选取焊料材料的时候有很多的标准如下【5 1 ： 无毒 开发可行性 较窄的塑性范围 良好的浸润性 材料加工性 较低的工艺温度 稳定的焊接点 要获得无铅焊料一般做法都是在s n 的基体内添加少量的第二种或第三种金 属，在这样的合金系统下再调整合金的比例，甚至于添加第四种和第五种元素以 改善焊料的熔点、机械强度和浸润性等。 常见的无铅焊料体系有以下几类【5 】： s n 9 6 5 a 9 3 5 s n 9 6 5 a 9 3 5 ( 2 2 1 ) 是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 s ( n c m s ) 等机构推荐的比较合适的合金中的一种，也是有很长使用经验的一种。但是，其 最大的问题是高熔点合金中它的浸润性最差。 s n 9 9 3 c u 0 7 s n 9 9 3 c u 0 7 ( 2 2 7 。c ) 的焊接质量与s n 6 3 p b 3 7 相当。在空气中回流其浸润 性会降低，并且出现粗糙的织物表面。其机械强度比较差，但是由于低廉的成本 被用在波峰焊当中。 s n a g c u s n 、a g 、c u 三元合金的共晶点温度为2 1 74 c 。如图1 3 为其液相表面相图【6 j 。 可以看出三元合金的共晶组分为：3 5 州a g o 3 w t a g 以及0 9 w t c u o 2 w t 剩余组分为s n ( 2 1 7 2 。c 0 2 。c ) 。在s n a g 体系中加入少量 的c u 是为了减小基底的铜扩散，降低熔点，增加浸润性，以及抗蠕变和热疲劳。 在实际生产应用中，这种合金的良率甚至e t s n p b 还高，当然要优于s n a g ，s r d c u 等体系的焊料。所以成为t n c m s 推荐的铅锡焊料的替代品f 7 】。常n i 簦j s n a g c u 焊料组分如下所示【5 j ： s n 9 3 6 a 9 4 7 c u l 7 ( 2 1 6 2 1 8 。c a m e sl a b s ，c o v e r sa n y “1 0 yc o n t a i n i n g 3 5 - 7 7 a ga n d1 4 c u ) 复旦大学硕士学位论文 s n 9 5 a 9 4 0 c u l ( 2 1 7 2 1 9 a m e sl a b s ) 9 6 5 s n 3 0 a g 0 5 c u ( h a r r i sb r a z i n gc o ) s n 9 5 5 a 9 4 0 c u 0 5 ( 2 1 7 2 1 9 。c ，p u b l i s h e d5 0y e a r sa g o ( u n p a t e n t a b l e ) s n 9 5 5 a 9 3 8 c u 0 7 ( 2 1 7 - 2 1 9 c ，u n p a t e n t e d ) s n 9 6 3 a 9 3 2 c u 0 5 ( 2 1 7 2 1 8 。c ，u n p a t e n t e d ) s n 9 5 7 5 a 9 3 5 c u 0 7 5 ( s e n j u 、 o 袋 善 图1 3s n a g - c u 三元合金的液相表面相图 f i g 1 3p h a s ed i a g r a mo f s n - a g o c ut e r n a r ya l l o yl i q u i ds u r f a c e s n a g b i x 在s n a g 系统中添加质量小于5 的b i 有助于降低焊料的熔点，并且能够提高 焊料的浸润性【8 】，同时焊料的抗拉伸强度将大大增加 9 】。但是，过多的b i 将导致 焊料的膏状( 固液混存) 范围。 如图1 4 为s n a g b i 的三元相图1 0 1 ，从图中可知，增加b i 的量可以很快降低 焊料的液相温度，同时析出大量的a 9 3 s n 金属间化合物( i m c ) 。因此a g 的共金 组分比也迅速下降n 1 左右，这将导致无铅焊料的机械强度下降。 当然s r d a g b i 体系也可以在添加其他的元素以改善焊料的浸润性和机械强 度，例如加入c u 或i n 。 典型的含有b i 的无铅焊料有【5 j ： s n 9 1 8 a 9 3 4 b i 4 8 ( 2 0 2 2 1 5 。c ，s a n d i al a b s ) ：n c m s c o n s i d e r e d ，a l o n g w i t he u t e c t i cs n a ga n de u t e c t i cs r d b i ，t h em o s tp r o m i s i n ga l l o y s s n 9 3 5 a 9 3 5 b i 3 ( 2 1 0 2 1 7 。c ，n i h o nh a n d a ) s n 9 3 a 9 3 5 b i 0 5 i n 3 ( h a r i m a m i t s u im e t a l s ) s n a 9 2 b i 7 5 c u 0 5 ( a l l o yh ，a l p h am e t a l s ，d e v e l o p e d a ti t r i ) d 复旦大学硕士学位论文 图1 4s n - a 哥b i 的三元液相表面相图 f i g 1 4p h a s ed i a g r a mo f s n - a g - b it e r n a r ya l l o yl i q u i ds u r f a c e s “s b s n 9 5 s b 5 等含有s b 的无铅焊料尽管有着t l s n a g 优异的浸润性，但是还是很 差，并且熔点太高( 2 3 2 2 4 0 ) 。 s n z n x s n 9 1 z n 9 有着1 9 8 5 。c 的熔点【l l 1 2 】，这是s n a g c u 焊料无法比拟的优势。但 是，z n 很活泼，易被氧化和腐蚀，需要配制专用的助焊剂。在此之外还以可填 加其它的金属以改进s n z n 体系的性质，例如添加a g 和c u 可以增加焊料的抗疲劳 能力 1 3 。 通过对不同系列的无铅焊料的比较和取舍，s n a g c u 焊料成为了国际上比 较流行的铅锡焊料的替代品。因为s n a g c u 三元焊料( s a c ) 有着合适的熔点 2 1 7 。c ，很好的浸润性，良好的机械性能，优异的焊接可靠性，无毒，合适的成 本【1 4 1 。s a c 与铅锡焊料具体性质比较如下表1 1 所示： 表1 1s a c 与铅锡焊料性质比较表 c o m p a r i s o n t i n l e a ds a c m e l tp o i n t 1 8 3 0 c 2 1 7 0 c w e t t i n gc u p a d7 0 ,c u p a d 3 d 0c u n i a u2 7 。 复旦大学硕士学位论文 c u n i a ul 妒 t e n s i o nf o r c e4 6 m p a4 2 m d a e l o n g a t i o n 3 0 3 0 ( c o m p a r a b l e ) s h e a rs t r e n g t h 2 3 m p a ( 0 1 m m m i n ，2 0 0 c ) 2 7 m p a ( o 1 m m m i n ，2 0 0 c ) c r e e pr u p t u r e3 3 m p a ( 2 0 。c , o 1 m m m i n )1 3 m p a ( 2 0 0c ，n l m m m i n ) s t r e n g t h t h e r m a lc y c l i n gb a d g o o d l o wl o a d i n gr a t el o w h i 曲 r e l i a b i l i t y h i g hl o a d i n gr a t eh i 曲 l o w r e l i a b i l i t y 1 3 无铅工艺的可靠性挑战 要实现绿色无铅封装不仅需要对焊料的组分进行改进，还需要对焊接的工艺 进行改进，或者说因为无铅工艺所要求的条件：温度、表面处理、助焊剂、焊接 时间等需要满足无铅的焊接要求。 图1 5 焊接的两种方式：( a ) 通孔焊接和( b ) 表面贴装 f i g i 5 t w od i f f e r e n ts o l d e r i n g m e t h o d ：p t h ( a ) a n ds m t ( 1 3 ) 复旦大学硕士学位论文 微电子封装中通常采用的焊接方式有两种：通孔式焊接( p i n t h r o u g h h o l e ) 和表面贴装( s u r f a c em o u n t t e c h n o l o g y ) 。图1 5 为两种焊接的示意图【i j 。 p t h 焊接的方式是将引脚穿过p c b 板的通孔，并在p c b 板下方采用波峰焊 ( w a v es o l d e r ) 将液态的焊料浸润在引脚和通孔上，形成焊点如图中a 点。而s m t 的焊接方式是在p c b 板和s m t 器件之间现涂敷一层焊膏( 含助焊剂) ，然后将器 件和p c b 板放入设定有温度曲线的回流炉中，在回流炉升温过程中焊膏熔化在器 件和p c b 之间形成浸润，在回流炉降温的过程中形成固态焊点。因为器件是贴装 在p c b 的表面，所以叫表面贴装技术，而用于s m t 技术的焊接方式叫做回流焊 ( r e f l o ws o l d e r ) 。 通孑l 焊接出现在上世纪6 0 年代，而s m t 技术的大量应用发生在上世纪八九十 年代。b g a 封装也是一种表面贴装技术，所以表面贴装回流焊接的条件包括回 流曲线、回流设备都会影响到b g a 焊接的质量。由于sac 无铅焊料的熔点( 2 l7 ) 相对于铅锡焊料( 183 ) 要高出3o 多，所以，其温度曲线也要 做出相应的调整。如图1 6 为典型的回流焊接温度曲线，温度较低的曲线为铅锡 焊料的回流曲线，温度较高的为无铅焊料( s a c ) 的回流曲线。阴影区域为二者 1 5 0 1 0 0 0 严k 厂 一。 p r e h e a tp r e f l o wr e l o wc o o l i n g t i m e 图1 6s n ，p b 与无铅焊料回流焊接温度曲线 f i g 1 6r e f l o ws o l d e r i n gt e m p e r a t u r ec u r v e so fs n p ba n dl e a d f r e es o l d e r 的温度差异部分。可以看出无铅焊膏的温度一直都比传统铅锡焊膏高出2 0 的原 因，这都是因为s a c 焊料的熔点升高所致。一般来说，无铅曲线相对于铅锡曲线 主要在升温方面的改变是：加大升温曲线的升温速率，增加预热( p r e f l o w ) 温 o。孽i篷墨毫尚1鼍举1 复旦大学硕士学位论文 度和加大预热时间，提高峰值温度。这些做法无疑是增加了对回流焊接技术的挑 战。例如，较高的峰值温度使得p c b 基板承受更大的热量，t g ( 玻璃化转变温度) 就要提高；较高的升温速率会使得无铅焊料中的水汽急剧沸腾，水汽外排会导致 焊膏的坍陷以及在焊点中形成气孔等。如图1 7 为无铅回流高温带来的焊接失效 的图片【1 5 ，高温的影响甚至波2 旧 t p c b 板上的无源器件。 图1 7 高温回流造成的器件失效图片 f i g 1 7p i c t u r e so f d e v i c ef a i l u r ed u et oh i g hr e f l o wt e m p e r a t u r e 无铅技术带来的另一个挑战既是原来的焊接表面的处理方式出现了问题。传 统的焊接表面使用s n 6 3 p b 3 7 焊料进行处理，但是无铅化的要求使得无铅焊料才 能作为表面处理的选择。无铅焊料表面处理( 包括纯s n 处理) 都有一个问题：在 整个体系中s n 的含量都很高( 富锡) ，经过长时间的使用，就会出现s n 晶须( t i n w h i s k e r ) 的问题。t i nw h i s k e r 会造成焊接处短路以及表面出现毛刺的现象。如 图1 8 n 一些具体实例【1 6 1 。 图1 8 焊接表面出现的锡须 f i g 1 8t i nw h i s k e ro nt h es u r f a c eo f s o l d e r i n g j o i n t s 图1 9 为t i n w h i s k e r 的放大图，b z l e ee ta 1 介绍了t i n w h i s k e r 的自发生长 复旦大学硕士学位论文 机制【”】，表面的处理层中的应力导致晶须处的t i n 的晶格方向偏离原有的方向， 向外生长形成晶须。针对这些晶须问题解决的方法可以是使用b i 等元素降低t i n 的含量，也可以使用a u l n i 表面。当然这些方法也会导致其它的可靠性的问题， 这里就不做讨论了。 图i 9 表面锡须放大形貌 f i g 1 9e n l a r g e di m a g eo f t i nw h i s k e ro i ls o l d e rs u r f a c e 在使用s a c 作为铅锡焊料无铅化的替代后，还将面临着焊接界面可靠性的挑 战。无铅焊料和铅锡焊料可靠性上就有这明显的不同，其中最重要的因素就是焊 料中s n 比例的不同造成的i m c 生长速率不同，还有因为s a c 焊料中含有的a g 、 c u 元素对i m c 成分造成的影响，最后的影响因素是s a c s e 艺和p b i 艺所要求的温 度不同。这些界面反应得差异导致了无铅焊料的使用上将面临更大的可靠性的问 题。 1 , 4 无铅焊料的界面反应 首先讨论铅锡焊料与焊点界面焊接的情况。s n 6 3 p b 3 7 中s n 占6 3 ，一般的 焊盘是c u ，而p b 在这个体系中并不和c u 发生反应，所以这里只考虑s n c u 的反应。 k n t u ，k z e n g 的文章仔细回顾了倒装芯片封装中s n 6 3 p b 3 7 与c u 焊盘焊接界面 反应问题【4 】o 如图1 1 0 为s n c u 的相图。图中颜色标出的部分既是s n c u 在常温下 能够稳定存在的相，分别为c u 6 s n 5 1 c u 3 s n ，后者的c u 的含量较高。因此s n 与c u 反应时，如果把焊料方看作富锡相，铜板看作富铜相，c u 3 s n 会出现在富铜的一 边，即是与铜板紧密生长在一起；而c u 6 s n 5 则生长在靠近焊料的一侧。 复旦大学硕士学位论文 01 02 03 04 05 06 07 08 0 9 01 0 0 图1 1 0s n c u 两相合金相图 f i g 1 1 0p h a s ed i a g r a mo f s n - c ub i n a r ya l l o y 图11 l 典型s n c u 界面s e m 形貌：( 左) 回流前，( 右) 回流后 f i g 1 1 lt y p i c a ls e m i m a g eo f s n - c u i n t e r f a c e ：b e f o r e f e l l o w ( 1 e f o ，a f t e rr e f l o w ( r i g h t ) 如图1 1 1 s n c u 界面典型的s e m 形貌图片。c u 6 s n 5 为贝状的i m c 颗粒，而 c u 3 s n 贝, t 是薄薄的一层i m c 与c u 相连。i m c 最典型的一个特点就是随着时间的增 加，会以一定的生长速率生长，并且保持一定的晶体形貌。如图1 1 1 ( 右) 所示 是经过4 0 分钟高温回流后界面i m c 的形貌图，可以发现c u 6 s n 5 的体积明显增大 很多。而这些增大的i m c 也将影响到焊接界面的可靠性。 复旦大学硕士学位论文 图1 1 2 失效b g a 焊球与c u 基板的焊接界面和局部放大图 f i g 1 1 2i m a g e so f f a i l e db g as o l d e r j o i mi n t e r f a c ea n de n l a r g e dr e g i o n 如图1 1 2 为b g a 焊球与c u 基板的界面【l ，可以看出沿着i m c 方向有着条裂 纹，而i m c 面的方向就是裂纹的生长方向，而大块的i m c 周围则会出现空洞。这 是因为i m c 的模量一般都很大而且也脆，与基板有着明显的差异，在受外力的情 况下会沿i m c 面断裂。而i m c 生长过程中会吸收周围的c u 和s n 这些过程会留下很 多的空洞，在受外力的情况下空洞破裂也是有可能的。所以说，c u 6 s n 5 的生长 是危害界面可靠性的最主要的因素之一。另外影响界面可靠性的一个重要因素就 是工艺过程中的温度。一般在微电子封装和测试过程中，焊点需要经受住高温的 考验，包括低于焊料熔点的温度如1 5 0 的老化，甚至于2 2 0 高于焊料熔点的液 态回流。这样的高温将对焊点的形貌产生巨大的影响，直接关系可靠性。如上面 介绍的温度将影响c u 6 s n 5 i m c 的体积大小。初次以外还有其它有趣的现象。 图1 1 3s n c u 界面不同处理温度下的i m c 形貌：( a ) 1 5 0 。c ，( b ) 2 2 0 c f i g 1 1 3i m c i m a g e so f d i f f e r e n t 仃e a d n g t e m p e r a t u r e ：1 5 0 。c ( a ) ，2 2 0 c ( b ) 复旦大学硕士学位论文 例如图1 1 3 1 4 1 ，不同的温度处理将使得c u 6 s n 5 i m c 的形貌有所改变。图a 中 的焊点的老化温度为1 5 0 生长的i m c 的形状为规则的层状结构，而图b 中的i m c 的形貌为贝壳状。实验证明规则的层状结构的可靠性要高。从两图中c u 3 s n 的厚 度比较来看，可以证实c u 3 s n 的生长速率要慢于c u 6 s n 5 ，后者才是决定界面强度 的主要因素。 i f e i g h tp e r c e n tt i n 图1 1 4s n n i 两相合金相图 f i g 1 1 0p h a s ed i a g r a mo f s n - n ib i n a r ya l l o y 熔融的s 1 1 p b 与n i 基板的反应速率是其与c u 板反应速率的1 1 0 0 0 ，反应生成 的i m c 的形状也类似于c u 6 s n 5 的贝壳状。而n i 在熔融的s n p b 焊料中的扩散速度 与c u 的扩散速度差不多，所以造成这种反应速率差异的原因就是：n i 与焊料的 浸润反应速率远小于c u 和焊料的浸润反应速率。因此，微电子封装中逐渐有以 镀n i 板代替c u 的趋势。 s n p b 与n i 基板的反应有点类似c u 基板上的反应。因为焊料中的p b 不与n i 反 应，所以只考虑s n - n i 的反应过程。如图1 1 4 为s n - n i 的相图，图中用箭头标出的 区域为常温下能稳定存在的s n - n i 化合物，分别是n i 3 s n ，n i 3 s n 2 ，n i 3 s n 4 。而熔 融状态的焊料和n i 反应最先生成的i m c 是n i 3 s n 4 。 u。彗jil霉，_ 复旦大学硕士学位论文 图1 1 5s n n i 焊点界面处不同老化时间下1 m c 形貌 f i g 1 1 5 i m c i m a g e so f d i f f e r e n ta g i n g t i m e so n t h e i n t e r f a c eo f s n - n i 如图1 1 5 为s 胛b 与n i 反应的界面i m c 生长情况【4 】，其老化的条件是2 4 0 下 1 r a i n ，1 0m i n ，4 0m i n 。可以发现n i 3 s n 4 是主要的i m c 产物，位于焊料和n i 之间的 界面上。其形状为贝壳状，随着回流时间的增加，贝壳状的i m c 的体积逐渐增大， i m c 层的厚度也不断变厚。与c u 界面上的i m c 生长情况进行比较可以发现i m c 厚 度在n i 上比在c u 上生长得慢很多。 当然，n i s n 化合物之间也会转化：如果在高温下s n 的量消耗较多，j j n i 3 s n 4 会向n i 3 s n ，n i 3 s n 2 转化”。 复旦大学硕士学位论文 1 5 本论文的实验设想和意义 由于无铅化进程的需求，对无铅焊料的可靠性研究需要更加深入和广泛的研 究。依照s n p b 焊料界面反应的研究方法，本文将对无铅焊料的可靠性和界面反 应进行深入的研究。考虑到无铅材料需求的多样性和紧迫性，研制新型低熔点高 可靠性的焊料也很有实际意义。 1 选取现在流行的s n a g c u 系的焊料对其在c u 和n i ( p ) 板上的剪切力和可靠 性进行比较，验证n i 板替代c u 基板在焊接强度方面的可行性；并且观察反应界 面上断口和i m c 的微观结构，确定影响剪切力和可靠性的因素。 2 采用不同的温度条件对s n a g c u 并d n i ( p ) 焊点进行老化和剪切力试验，考 察不同的老化条件下焊点的可靠性；观察不同条件下界面的微观结构，分析i m c 的成分，寻找不同温度下i m c 生长的规律，并且将其与焊点可靠性联系起来；总 结出不同温度情况下影响焊点可靠性的不同因素，对微电子工艺进行修正和指 导。 3 考虑到在实际生产过程中要克j 艮s n a g c u 高峰值温度的问题，所以研究可以 替4 4 e s n a g c u 的s n a g b i 在n i ( p ) 板上的反应过程，并进行高温老化和剪切力 试验；将s n a g c u ； 1 s n a g b i 的试验结果进行比较，看s n - a g b i 与n i ( p ) 焊点 的可靠性有何优缺点。 4 为了克j 最s n a g c u 高熔点的问题，并且要改进s n a g b i 的部分机械性能，本 文还将研究一种新型无铅焊料在熔点、机械性能等方面能有所改进，并且通过实 验验证其可焊接性和焊接可靠性；其制备的方法也要力求科学和简便，并且控制 成本。 复旦大学硕士学位论文 第二章：s n 3 s a g 0 7 c u 焊料的剪切力实验和界面微结构研究 2 1 本章引言 如背景知识中介绍的，在大规模集成电路封装中，球栅阵列封装形式( b g a ) 是解决多i o 器件的一种有效封装形式。无铅焊球被广泛地运用到b g a 封装形式 当中。由于b g a 封装技术有着互连线短，互连电容、电阻、电感小，适合高频 高速器件，占基板的面积小，安装密度高，适合高i o 器件等优点，已成为微电 子器件封装技术发展的主流方向。然而与s o i l 、p l c c s 、q f p s 等封装技术相比， b g a 互联一般在每个器件上有更多焊点，因此出现故障的可能性也随之增大， 如何提高焊点的可靠性已成为b g a 技术进一步发展的主要瓶颈。近些年来关于 无铅焊料的研究进展表明，s n a g c u 合金具有良好的润湿性及力学性能，最有 可能成为替代传统s n p b j 翠- 料的无铅焊料的合金【2 。通过精密的热力学测定和热 力学模拟计算，可确定三种金属的共晶组分在s r d 3 s a g 0 7 c u ( 质量百分比) 附近 1 2 1 。因此，在本节的研究中选取s r d 3 s a g 0 7 c u 作为研究组分。本节选取的b g a 器件与基板焊接时的基板采用c u 层和化学镀镍层。因为含p 的n i 合金基板具有明 显的阻挡s n 向基板中扩散生成过厚的脆性金属间化合物( i m c ) 的效果。并且， n i p 镀层的高可焊性和低成本是它将成为凸点下金属( u b m ) 的主流的主要因 素之盼2 3 1 。由于s n 与c u 和n i 反应的方式和速率都有着差异，所以需要我们详 细地观察研究不同的基板上焊点界面的微观结构，并对焊点剪切力作进一步地定 量的研究。 电子封装元器件中，焊点常常由于热失配、器件装配外力等原因发生剪切破 坏。由此，焊点剪切强度成为衡量焊料可靠性的重要指标之一。作者在总结前人 经验的基础上，设计了全新的焊点剪切实验方法，其目的时为了消除其他因素的 影响，从材料力学的角度，更加集中，更加专业的研究焊点的剪切破坏问题，将 焊点的剪切现象抽象出来，同时由于该法脱离了封装器件的束缚，对各种焊接形 式都具有一定的普适性。 本文n s n 3 5 a 舯7 c u 焊料分别在c u 乖l n i p 基板上的剪切强度进行了研究。 并讨论了时效对该无铅焊料在两种基板上的剪切强度的影响。结合无铅焊料剪切 强度的研究，利用扫描电镜( s e m ) 对不同基板上焊点断口的微观形貌进行了观 察和分析，对焊接界面的微观形貌、结构与剪切强度之间的关系进行了研究。 复旦大学硕士学位论文 2 2 剪切强度测试方法 2 2 。1 两种测试方法回顾 h w a t e n gl e e 对焊料的剪切强度测试方法进行了研究【2 4 】。该方法中，试样是 通过焊料将两段长1 5 r a m 铜丝的两端头焊接在一起的结构，如图2 1 所示。剪切强 度测试的夹具如图2 2 所示，通过特制的双l 形夹头固定铜丝，对夹头施加拉力， 图2 1 剪切测量试样1 t 2 4 】 f i g 2 1s h e a rt e s ts a m p l e 【2 4 】 图2 2 剪切强度测试实验装置【2 4 】 f i g 2 2e x p e r i m e n t a ls e t t i n g sf o rs h e a r t e s t 2 4 1 形成对焊料的切向力。该方法中，由于试样的尺寸较小，铜丝对焊质量对焊点剪 切强度有较大的影响，另外，焊点的厚度也是影响剪切强度测试结果的主要因素。 图2 3 中是测试后焊点的变形照片。 复旦大学硕士学位论文 图2 3 剪切测试后的试样2 1 2 4 j f i g 2 3s h e a r t e s ts a m p l e 2 2 4 】 a k i oh i r o s e 等人提供了另外一种焊料剪切强度的测试方法【2 ”，其试样是用焊 料将两段直径分别为3m m 和1 0m m 的纯铜同轴圆柱体焊接起来而得的，如图2 4 所示。剪切强度测试中，固定直径大的铜柱，推小直径铜柱至焊点断裂，由此得 到焊点的剪切强度。由于该法使用的样品的尺寸大于前一种方法，易于固定，且 由于最大剪切力增大，降低了对力学传感器的精度要求。然而，焊料厚度仍是 影响剪切强度测试精度的重要因素。 图2 4 剪切测量试样口5 f i g 2 4s h e a r t e s ts a m p l e l 2 5 】 2 2 2 本文采用的测试方法 通过对以上两种剪切强度测试方法的比较，本文提出直接对焊料柱进行焊点 剪切强度测试的方法。测试样品尺寸及测试示意图分别如图2 5 和图2 6 所示。样 品尺寸的选择吸取了方法二的经验，对样品尺寸适当放大，使之有较大的焊接面 积和较大的最大剪切力，以降低各种误差的影响。 复旦大学硕士学位论文 图2 5 剪切测量试样尺寸及示意图 f i g 2 5s i z ea n ds k e t c ho f s h e a rt e s ts a m p l e 测量焊点剪切强度实验装置如图2 6 所示，实验时，用夹头模具固定住焊料 柱，推头在c u 板上施力，由此，可有效减小焊柱焊接端的变形，使推头的作用 图2 6 剪切强度测试实验装置 f i g 2 6e x p e r i m e n t a ls e t t i n g so f s h e a rt e s t 力集中作用于焊接界面上，使焊点剪切强度的测量结果更为准确。图2 7 是经剪 切测试的样品，由图中可见焊柱焊接端附近没有出现明显的变形。 复旦大学硕士学位论文 图2 7 剪切测试后的试样 f i g 2 7s a m p l ea f t e rs h e a rt e s t 实验中所用的焊料合金是将高化学纯度的各焊料组分，按照既定的配比在高 真空和高温条件下共融而成的。本实验中使用的铜基板为纯铜板，而n i p 基板则 通过在纯铜板表面进行化学镀镍而得到，n i p 层厚度为2um 。样品的制备过程 中，先将基板置于模具底部，然后将焊料溶化并浇铸于模具中，使之以圆柱形焊 接于基板表面。随后，在1 5 0 下对样品分别进行1 4 5 、3 0 0 、5 0 0 、1 0 0 0 d 、时的热 时效。最后，用c m t 6 1 0 4 拉力机测量焊点的剪切强度，每种条件下测量5 个样品， 以平均值作为测试结果。由于界面处的i m c ( 金属间化合物) 是影响焊点可靠性 的决定性因素 2 6 - 2 9 1 ，因此本实验将i m c 及断裂处的微观结构作为主要研究对象， 从已测样品中选取一部分，通过s e m 对样品断口的微观结构进行观察，并且用 e d x 确定了i m c 的主要成分。 2 3 剪切力强度测试和断面微观结构分析 2 3 1 剪切强度测试结果 l 鱼划 j 卜： 02 0 04 0 06 1 1 08 ( 1 1 11 0 a g i n g t j m e ( h ) 图2 8s n a g c u 焊料在c u 和n i - p 基板上焊点剪切强度随时效的变化曲线 f i 9 2 8s h e a rs t r e n g t hc u r v e so f s n a g - c us o l d e r j o i n to i l c ua n d n i pb o a r d 非 加 强 il：一g罡 复旦大学硕士学位论文 图2 8 显示s n a g c u