（材料加工工程专业论文）无铅焊点寿命预测及imc对可靠性影响的研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 无铅焊点寿命预测及i m c 对 可靠性影响的研究 摘要 目前，球栅阵列封装( b o a ) 技术正广泛应用于微电子封装领域，表面组 装技术( s m t ) 也逐渐进入b g a 组装时代。组装焊点的失效是b g a 封装器件的 失效的主要原因，伴随着人们环保意识的提高，无铅化是微电子封装业的发 展趋势，在服役过程中无铅焊点的可靠性是已学者研究的热点。s n a g c u 无 铅钎料被认为是最有可能取代传统的s n p b 钎料作为表面组装焊点的材料， 但是高s n 含量的s n a g c u 钎料必然会导致与c u 焊盘界面金属间化合物( i m c ) 生长过快的问题，过厚的i m c 将会导致焊点界面的弱化甚至开裂。因此，研 究b g a 组装无铅焊点可靠性及i m c 对其可靠性的影响具有重要的理论意义。 本文采用统一型粘塑性a n a n d 本构方程描述材料为s n 3 8 a g o 7 c u 和 s n 3 7 p b 焊点在热循环条件下粘塑性行为。采用有限元数值模拟方法，针对 p b g a 封装器件，建立了1 8 三维有限元模型，分析焊点阵列的应力应变分 布规律，确定了易发生疲劳失效关键焊点的位置。分析了s n 3 s a 9 0 7 c u 关 键焊点的失效机制。分别采用基于塑性应变的c o 伍n - m a n s o n 模型和基于能 量的m o r r o w 方程对两种钎料的关键焊点进行热疲劳寿命预测，通过计算比 较s n 3 8 a 9 0 7 c u 关键焊点的疲劳寿命是s l l 3 7 p b 的3 0 倍，表明 s n 3 s a 9 0 7 c u 钎料具有较好抗热疲劳性能。 通过对s n 3 s a g o 7 c u 与c u 焊盘回流焊接后和老化条件下的界面反应 进行研究，回流焊接后，其界面处的i m c 层为c u 6 s n 5 ，无c u 3 s n 金属间化 合物出现，经过1 2 5 ，1 0 0 h 的老化试验之后，在靠近c u 焊盘一侧发现了 薄薄的一层c u 3 s n 。对i m c 层厚度的测量结果可知，厚度与时间的平方根 之间呈近似的线性关系，较好的符合了f i c k 扩散定律。 通过对关键焊点界面处的i m c 层进行合理的简化，进行数值模拟，模 拟结果表明，当界面i m c 层厚度增加时，i m c 层内的等效应力增加；与此 相反，钎料内部的应力变化不大，但粘塑性应变量和塑性功累积量动态增加 且增加明显，因此i m c 厚度增加，将会导致焊点的热疲劳寿命降低。 关键词数值模拟；球栅阵列；无铅钎料；金属间化合物；热疲劳 鉴玺篓詈三銮兰三兰罂圭耋竺兰三 f a t i g u e l i f ep r e d i c y i o nf o rl e a d f r e e s o l d e rj o i n t sa n ds t u d yf o re f f e c to f i m co nr e l i a b i l i t yo fs o l d e rj o i n t s a b s t r a c t a tp r e s e n t , t h eb a l lg r i da r r a y ( b o a ) p a c k a g e sa r ew i d e l ya p p l i e dt ot h e f i e l do fm i e r o e l e c t r o n i ep a c k a g i n g t h es u r f a c em o u n t i n gt e c h n i q u e ( s m t ) g r a d u a l l ye n t e r si n t ot h ee p o c ho fa s s e m b l i e sf o rb o a t h ef a i l u r eo fs o l d e r j o i n t si st h em a i nr e a s o nf o rd e s t r u c t i o no fb g ad e v i c e s a l o n gw i t he n h a n c i n g o fp e o p l e sc o n s c i o u s n e s sf o re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，u s i n gl e a d - f r e es o l d e r w i l lb et h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo ft h em i c r o e l e c t r o n i ci n d u s t r y r e c e n t l y , t h e s t u d yf o rr e l i a b i l i t yo fs m tl e a d f r e es o l d e rj o i n t sa tw o r kh a sa t t r a c t e dg r e a t a t t e n t i o nb e c a u s eo ft h e s er c a $ o l 娼t h es t u d yf o rr e l i a b i l i t yo fl e a d - f r e es o l d e r j o i n t sh a sb e e nb e c o m i n ga nu t m o s tc o n c e r nb yr e s e a r c h e r s ，l e a d - f r e es o l d e r s n a g c ui sm o s tl i k e l yr e g a r d e da sas u b s t i t u t ef o rt r a d i t i o n a ls n p bs o l d e ra st h e m a t e r i a lo fs m ts o l d e rj o i n t s h o w e v e r , s n a g c us o l d e rw i t hh i g hc o n t e n to fs n i sb o u n dt oc a u s er a p i d l yg r o w t ho fi m cb e t w e e ns o l d e ra n dc up a d s ，l a r g e r t h i c k n e s so fi m cw i l ll e a dt ow e a k e n i n gi n t e r f a c eo fs o l d e rj o i n ta n d c r a c k i n gi n t h ei m cl a y e r t h u s ，t h es t u d yf o rr e l i a b i l i t i e so fl e a d f r e es o l d e rj o i n t so fb g a h a st h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e ht l i i sp a p e r , a n a n dc o n s t i t u t i v ee q u a t i o nw a se m p l o y e dt od e p i c tv i s c o p l a s t i cb e h a v i o ro ( s n 3 8 a 9 0 7 c ua n ds n 3 7 p bu n d e rt h et e m p e r a t u r ec y c l e s t h e m e t h o do ff e mw a su s e d ，a n dt h eo c t a n tf i n i t ee l e m e n tt h r e ed i m e n s i o n a lm o d e l w a sc o n s t r u c t e d 1 1 1 er e g u l a t i o no fd i s t r i b u t i o nf o rs o l d e rj o i n t sw a sa n a l y z e dt o l o c a t et h ek e yj o i n to fs o l d e rj o i n t s t h ek e ys o l d e rj o i n t , w h e r et h ef a i l u r eo f f a t i g u ew a sp r o n et oo c c u r , w a sl o c a t e di nt h es o l d e rj o i n t sa r r a y , a n dt h ef a i l u r e m e c h a n i s mo fk e yj o i n to fs n 3 s a 9 0 7 c uw a sa n a l y z e d t h e r m a lf a t i g u el i f eo f t h ek e ys o l d e rj o i n t so ft w ot y p e so fm a t e r i a l sw a sp r e d i c t e dw i t l lc o f f i n m a n s o n m o d e lb a s e do np l a s t i cs t r a i na n dm o r r o wm o d e lb a s e do np l a s t i ce n e r g y ， - 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 r e s p e c t i v e l y i tw a sr e v e a l e dt h a tt h et h e r m a lf a t i g u e1 i f eo ft h ek e ys o l d e rj o i n t f o rs n 3 8 a 9 0 7 c uw a sa b o u t2t o3t i m e sm o r ct h a nt h a to fs n 3 7 p b ，a n dt h a t s n 3 8 a 9 0 7 c us h o w e d b e t t e rp r o p e r t yo f t h e r m a lf a t i g u er e s i s t a n c e t h e e x p e r i m e n t s o n s o l d e r i n g r e a c t i o na n d a g i n g w e r ec o n d u c t e d r e s p e c t i v e l ya tt h ei n t e r f a c eb e t w e e ns n 3 8 a 9 0 7 c us o l d e ra n dc up a d s i tw a s c o n c l u d e dt h a tt h ec o m p o s i t i o no fi m cl a y e rw a sc u 6 s n 5a f t e rs o l d e r i n ga n da t h i nl a y e ro fc u 3 s nw a sf o u n dn e a rc up a da f t e ra g i n ga t1 2 5 ( 3f o rl o o h 1 1 ” r e s u l t so fm e a s u r i n gt h i c k n e s so fi m ci n d i c a t e dt h a tt h eg r o w t ho fi m cl a y e r d i s p l a y e dan e a r l y l i n e a rr e l a t i o n s h i pt os q u a r er o o to fa g i n gt i m e ，w h i c h v i r t u a l l ye o n f o r m e dt ot h ef i c k sd i f f u s i o nl a w t h em o d e lo f t h ek e ys o l d e r j o i n tw a ss i m u l a t e da f t e rr a t i o n a ls i r e # i f i c a t i o n f o ri m cl a y e r s t h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h ee q u i v a l e n t s t r e s so fi n n e rl a y e ro fi m ci n c r e a s e dw i t hi t st h i c k n e s s o nt h ec o n t r a r y , t h e s t r e s so fs o l d e rh a dn oc o n s p i c u o u sc h a n g e ，b u tt h eq u a n t i t yo fv i s c o - p l a s t i c s t r a i na n da c c u m u l a t e dp l a s t i cw o r ki n c r e a s e dd y n a m i c a l l yw i t hi n c r e a s i n go f i m cl a y e r t h ef a t i g u el i f eo fs o l d e rj o i n td e c r e a s e ds u b s t a n t i a l l yw i t ht h e i n c r e a s i n go f t h i c k n e s so f i m cl a y e r k e y w o r d sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；b g a ；l e a d - f r e es o l d e r ；i m c ；t h e r m a lf a t i g u e m 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文无铅焊点寿命预测及i m c 对 可靠性影响的研究，是本人在导师指导下；在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期 f 1 玎j 独立进行研究工作所取得的成果。掘本人所知，论文中除已注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体， 均已在文甲以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作骼名：墨未砖：i ，、，7 同期：刎年；月，弓f 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 无铅焊点寿命预测及i m c 对可靠性影响的研究系本人在哈尔滨理工大 学攻读硕士学位期问在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完 全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公御论文的全部或部分 内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密囱 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：弘南 新锑：孙氆 同期：中三月踟 同期：匆年3 月b r 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着电子工业朝着更高的功能密度，进一步的微型化，和更高直通率的方 向不断发展，表面组装技术( s m t ) 在电子工业中是革命性的突变。在1 9 世纪 6 0 年代中期，早期的s m t 出现是由于有利于在印刷电路板( p c b ) 的两面放置 元件，然而直到大约1 5 年后s m t 才得到普遍的应用。在1 9 世纪7 0 年代后 期，通孔技术( t h t ) 不能满足较高密度的要求，首先是由于需要增加引脚数量 而钻更多的孔，造成了制造成本的增加，且对于小于0 1 英寸的焊点间距，就 很难钻更小的孔了i t l 。另一方面，市场上出现了各样的塑料表面组装器件 ( s m d s ) 。自那以后，s m t 开始真正的起飞且很快的成为主要的组装技术。2 0 世纪8 0 年代后期，周边端子型的i c 器件( 以q f p 为代表) 得到了很大的发展和 广泛的应用。但由于组装工艺的限制，q f p 的尺寸( 4 0 m m 2 ) 、引脚数n ( 3 6 0 根) 和引脚间距( o 3 删n 2 ) 已经达到了极限i 2 1 ，这就限制了组装密度的提高，于是相 继出现了新型的倒装芯片封装( f c ) 、球栅阵列封装( b g a ) 和芯片级封装( c s p ) 。 自此，表面组装技术进入了b g a 、c s p 组装时代，当前封装与组装领域中的 主要微连接技术如图1 1 t 3 1 所示。经过了4 0 多年的发展，s m t 技术以进入完全 成熟的阶段，不仅成为当代微电子组装技术的主流，而且继续向纵深方向发 展。就封装器件组装工艺来说，s m t 的发展已经接近极限( 二维封装) 。近年来 出现的s o p ( s y s t e mo i lp a c k a g e ) 技术，s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 等技术更标志着电 子封装技术发展的进一步飞跃。必将给微电子组装技术带来更大的挑战。 软钎焊工艺在电子组装技术中主要用于微电子器件信号引出端( 外引线) 与 印刷电路板( p c b ) 上相应焊盘之间的连接，焊点担负着机械连接、电气连接和 热交换等任务。由图l - 1 还可以看出在封装结构中微连接技术占了很大的比 重。另一方面，焊接又是电子生产工艺中最为薄弱之处，在电子器件或电子整 机的所有故障原因中，约7 0 以上为焊点失效所造成1 4 1 。 s n p b 钎料是电子组装焊接中的主要焊接材料，以其优质的性能和低廉的 成本，一直被人们所重视。但众所周知铅及它的化合物是有毒物质，人类如长 期接触会给生活环境和安全带来较大的危害。其中铅对儿童的危害更大，会影 响其智商和正常发育。人类为避免这方面的问题，限制使用甚至禁止使用有铅 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 钎料的呼声越来越高。最终拥有悠久历史的传统型s n p b 钎料，将会逐渐被新 的绿色环保型钎料所替代翻。如无铅汽油的广泛使用就是一个很好的范例。另 一方面，微电子产品焊点尺寸越来越小，引线间距越来越窄，而其所承受的热 学、电学及力学载荷却都越来越高，这就要求钎料应具有优良的抗疲劳、蠕变 性能，而传统的s n p b 钎料抗蠕变性能差，已经不能满足使用要求。工业界一 直致力于无铅钎料的开发工作，准备迎接无铅化带来的挑战1 6 1 。无铅化技术由 于钎料的差异和焊接工艺参数的调整，必不可少的会给焊点可靠性带来一定的 影响。而s m t 、m c m 焊点是直接实现异质材料间电气及机械连接，它的质量 与可靠性很大程度决定了电子产品的质量1 7 1 。 图1 - 1 电子封装结构与组装中的微连接技术示意图 f i g 1 - ls 仇l c t u r es c h e r o a f i co f b g a ，c s pp a c k a g ea n d t h em i c r ow e l d i n gt e c h n o l o g y 1 2 无铅钎料的研究现状 1 2 1 无铅钎料的性能要求 在无铅焊接组装工艺中，焊接材料的选择是最具挑战性的。在选择材料时 要考虑到焊接元件的类型、线路板的类型，以及它们的表面涂敷状况。近年来 由于s m t 的普遍应用，在提高电路的组装密度和可靠性方面，对钎料合金提出了 更高的要求嘲： ( 1 ) 合金共晶温度近似于s n 3 7 p b 的共晶温度( 1 8 3 c ) ，且熔化温度区间越小越 好。 c 2 ) 无毒或毒性很小。 ( 3 ) 润湿性能和机械性能良好，焊点要有足够的可靠性。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 ( 4 ) 容易制成膏状。 ( 5 ) 尽可能与目前所用钎剂相容 ( 6 ) 导热性和电导率- 与s n a 7 p b 相近。 国际土对无铅钎料的定义为：以s n 为基，添加a g 、c u 、s n 、z n 、b i 等元素 构成的二元、三元甚至四元的共晶合金代s n 3 7 p b 钎料，其中佃b ) 应小于0 1 。 1 2 2 无铅钎料的研究进展 当前，关于无铅钎料的研究基本上集中在以下几个方面：( 1 ) 新型无铅钎料 合金材料的开发；( 2 ) 焊接头、焊点的疲劳特性研究及焊点可靠性的研究与设 计；( 3 ) 无铅钎料的工艺研究。早期的研发计划集中于确定新型合金成分、多元 相图研究和润湿性、强度等基本性能考察。目前的研究主要集中于三种无铅钎 料合金系列：s n c u 、s n a g 、s n a g c u 的热疲劳寿命、焊点可靠性以及生产工艺 的研究1 9 1 1 1 0 l 。 通过近2 0 年的研究开发各国都取得了一定研究成果，在有限改变工艺条 件前提下，无铅钎料已可部分取代s n p b 钎料。目前开发出的无铅钎料有百余 种，专利将近千种，且多数为二元、三元无铅合金。国内目前生产的多为不涉 及专利的二元合金，以s n a g c u 三元合金为主流的无铅产品主要为进口。主要 的无铅钎料系列及性能优缺点，如表1 1 【i 1 所示。但这些合金系列相对于s n p b 共晶钎料整体的力学性能、焊接接头的可靠性以及成本等方面还有一些差距，目 前只能应用于一些特殊的领域。还必须在研制新型无铅钎料的同时，对与其匹配 的系统工艺及焊剂进行开发，还要对钎料本身的力学性能以及焊接接头的力学性 能和可靠性进行研究，这样才能圆满地解决好无铅钎料的替代问题。电子行业比 较普遍的看法是，手工电烙铁焊应该采用s n c u 、s n a g 或s n a g c u 系合金，浸 焊和波峰焊采用s n c u ，回流焊接采用s n a g 和s n a g c u 系合金。s n c u 系钎料 的显著优点是不含贵金属，成本低；缺点是熔点偏高，润湿性较差，s n o 7 c u 是该系的主要产品“2 1 。s n a g 钎料的含银量在2 扣5 之间。研究表明，该系共 晶钎料的剪切强度、蠕变抗力、疲劳行为是很优越的，不存在延展性随时间加长 而劣化的问题，接头更为可靠【1 3 1 ，国内外研究人员把此系钎料作为研究重点。 但其熔点较高( 2 2 1 ) ，成本较高，在c u 基体上润湿性稍差，还存在专利问题， 因此研究人员开始注重三元或多元合金体系，在s n a g 系钎料基础上添加b i ， hc u 、s b 等元素，开发多元合金钎料，但相比之下s n a g c u 由于其具有更优 的力学性能和焊接质量，而受到开发商和研究者的青睐i l ”。s n a g c u 系无铅钎 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 料被国际上公认为最有可能替代s n p b 钎料的合金体系陋”。s n 、a g 、c u 三种 合金成份比例的确定经历了一段探索的过程，s n a g c u 系合金共晶成分还存在 争议，事实上在a g ( 3 o 4 7 ) ，c u ( o 5 - - 3 0 ) 范围内熔化温度变化都不明显【l s j 。目 前由于s n 3 s a 9 0 7 c u 无铅钎料美国已经有了专利权，最终两种具有相同熔点 且性能相似的合金成分s n 3 0 a 9 0 5 c u 和s n 3 s a 9 0 7 c u 成为无铅合金的主要选 择。其中，s n 3 0 a 9 0 5 c u 被日本、韩国厂商广泛采用，欧美企业更多选择 s n 3 8 a g o 7 c u 合金；熔点在2 1 7 附近，比s n a g 共晶熔点下降约4 ，有良 好的延展性，外观光亮，但强度偏低。 表i - 1 无铅钎料合金系列 t a b l e1 - 1l e a d - f r e es o l d e ra l l o y s 种类熔点 c特点 优点：蠕变特性、强度、耐热疲劳力学性能等方 s n a g 系列 2 2 0 2 4 5面优于s n p b ； 缺点：熔点高，润湿性不良 优点：高强度、焊接性好、制造成本低； s n c u 系列2 0 0 一2 3 7 缺点：抗拉强度较低、熔点高 优点：良好的物理和力学性能，良好的可靠性， s r 认g c u 系列 2 1 7 2 2 1熔点低，可焊性好； 缺点：价格偏高 7 优点：熔点低，价格低； s n z n 系列1 9 5 2 0 0 缺点：易被氧化 优点：润湿性好； s n b i 系列 1 4 0 - 1 8 0 缺点：耐热性差、强度差 优点：强度高、润湿性好； s n a g c u b i 系列 2 0 8 0 1 3 缺点：价格高 1 3 无铅焊点可靠性带来的问题 1 3 1 焊点的失效模式 焊点的可靠性实验工作，包括可靠性实验及分析，其目的一方面是评价 和鉴定集成电路器件的可靠水平，为整机可靠性设计提供参数；另一方面，就 暗尔滨理工大学工学硕士学位论文 是要提高焊点的可靠性。这就要求对失效产品作必要的分析，找出失效模式， 分析失效原因，其目的是为了纠正和改进设计工艺、结构参数、焊接工艺等， 焊点失效模式对于循环寿命的预测非常重要，是建立其数学模型的基础。下面 介绍3 种失效模式【1 观。 1 3 111 焊接工艺引起的焊点失效焊接工艺中的一些不利因素及随后进行的 不适当的清洗工艺可能会导致焊点失效。s m t 焊点的可靠性问题主要来自于 生产组装过程和服役过程。在生产组装过程中，由于焊前准备、焊接过程及焊 后检测等设备条件的限制，以及焊接规范选择的人为误差，常造成焊接故障， 如虚焊、焊锡短路及曼哈顿现象等。另一方面，在使用过程中，由于不可避免 的冲击、振动等也会造成焊点的机械损伤，如波峰焊过程中快速的冷热变化对 元件造成暂时的温度差，使元件承受热机械应力。当温差过大时，导致元件的 陶瓷与玻璃部分产生应力裂纹。应力裂纹是影响焊点长期可靠性的不利因素。 同时在厚、薄膜混合电路( 包括片式电容) 组装过程中，常常有蚀金、蚀银的现 象。这是因为钎料中的锡与镀金或镀银引脚中的金、银形成化合物，从而导致 焊点的可靠性降低。此外，过度的超声波清洗也可能对焊点的可靠性有影响。 1 3 1 2 时效引起的失效当熔融的钎料与洁净的焊盘相接触时，在界面会形成 金属间化合物( i m c ) ，在时效过程中，焊点的微结构会粗化，界面处的i m c 亦 会不断生长。焊点的失效部分依赖于l m c 层的生长动力学。界面处的金属间 化合物虽然是焊接良好的一个标志，但随着服役过程中其厚度的增加，会引起 焊点中微裂纹萌生乃至断裂。当其厚度超过某一临界值时，金属间化合物会表 现出脆性，而由于组成焊点的多种材料间的热膨胀失配，使焊点在服役过程中 会经历周期性的应变，形变量足够大时会导致失效。研究表明s n 3 7 p b 软钎料 合金中加人微量稀土元素，会减少金属化合物的厚度，进而使焊点的热疲劳寿 命提高2 倍，显著改善表面组装焊点的可靠性。 1 3 1 3 热循环引起的失效电子器件在服役条件下，电路的周期性通断和环境 温度的周期性变化会使焊点经受温度循环过程封装材料间的热膨胀失配将在焊 点中产生应力和应变。如在s m t 中芯片载体材料a 1 2 0 3 陶瓷的热膨胀系数 ( c t e ) 为6 x 1 0 。6 c ，而环氧树脂玻璃纤维基板的c t e 则为1 5 x 1 0 * c 。温度变 化时，焊点将承受一定的应力和应变。一般焊点所承受应变为1 0 一2 0 。在 1 l f r 工艺中，器件的柔性引脚会吸收由于热失配而引起的大部分应变，焊点真 正承受的应变是很小的。而在s m t 中，应变基本由焊点来承受，从而会导致 焊点中裂纹的萌生和扩展，最终失效，由于焊点是因热膨胀系数不匹配产生热 应力而开裂并导致失效，所以提高无引线元件与基板材料的热匹配最容易成为 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 人们首先关注的问题。目前己研究开发出4 2 n i - f e 合金( c t e 为5 1 0 ) 、 c u 3 6 n i f e 合金( 锢瓦合金) 、c u b i o c u 及石英纤维复合材料等新基板材料，其 中c u - 锢瓦c u 复合基板改变其中各成份比例，用此基板钎焊的焊件经1 5 0 0 次 热冲击实验，无焊点失效。另外还开发了在印制板上复合一层弹性较大的应力 吸收层，用以吸收由于热失配引起的应力等方面的技术，也取得了比较好的效 果。但新型基板材料的工艺复杂，价格相对昂贵，其实用性受到一定的限制。 1 3 2 影响无铅焊点可靠性的因素 与传统的含铅工艺相比，无铅化焊接由于钎料的差异和工艺参数的调整， 必不可少地会给焊点可靠性带来一定的影响。首先是目前无铅钎料的熔点较 高，一般都在2 1 7 左右，传统的s n p b 共晶钎料熔点是1 8 3 ，温度曲线的提 升随之会带来钎料易氧化及金属间化合物生长迅速等问题。其次是由于钎料不 含p b ，钎料的润湿性能较差，容易导致产品焊点的自校准能力、拉伸强度、 剪切强度等不能满足要求。原含铅工艺焊点不合格率一般平均在0 0 5 左右， 而无铅工艺由于钎料润湿性差，不合格率上升至0 2 - 4 ) 5 。 鉴于无铅化焊点可靠性方面目前仍存在许多问题，有必要对此进行分析。 无铅焊点的可靠性问题主要来源于：焊点的剪切疲劳与蠕变裂纹、电迁移、钎 料与焊盘界面金属间化合物形成裂纹、s n 晶须生长引起短路，电腐蚀和化学 腐蚀问题等。以下我们主要从设计、材料与工艺角度介绍影响无铅焊点可靠性 的一些因素。 1 3 2 1p c b 的设计问题焊盘设计不合理、发热量大元件密集分布、相邻高大 元件在回流焊接时产生“高楼效应”形成热风冲击等。 1 3 2 2 焊接材料的选择问题目前，大多采用s n a g c u 合金系列，液相温度是 2 1 7 - 2 2 1 ，这就要求再流焊具有较高的峰值温度，如前所述会带来钎料及 导体材料( 如c u 箔) 易高温氧化、金属间化合物生长迅速等问题。因为在焊接 过程中，熔融的钎料与焊接衬底接触时，由于高温在界面会形成一层金属间化 合物0 m c ) 。其形成不但受回流焊温度、时间的控制，而且在后期使用过程中 其厚度会随时间增加。研究表明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。过厚的金属间化合物层的存在会导致焊点断裂、韧性和抗低周疲 劳能力下降，从而导致焊点的可靠性降低。以当前最为成熟的s n a g 系无铅钎 料为例，由于熔点更高，相应的再流焊温度也将提高，加之无铅钎料中s n 含 量都比s n p b 钎料高，这两者都增大了焊点与焊盘界面上形成金属间化合物的 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 速率，导致焊点提前失效。另外，由于无铅钎料和传统s n p b 钎料成分不同， 因而它们和焊盘材料，如c u 、n i 、a g p d 等的反应速率及反应产物可能不同， 焊点也会表现出不同的可靠性。同时钎料和助焊剂的兼容性也会对焊点的可靠 性产牛非常大的影响。有研究表明：钎料和助焊剂各成分之间不兼容会导致附 着力减小。此外，由于热膨胀系数不匹配，又会加快钎料周期性的疲劳失效。 因此要特别注意选择兼容性优良的钎料和助焊剂，才能耐受住无铅再流焊时的 高温冲击。 另外，各互连焊接部件均来自于不同生产厂商，因而部件质量难免参差不 齐，如器件引脚可焊性不良等，对无铅工艺焊点可靠性有较大影响。比较典型 的例子是p c b 板焊盘质量问题。由于以前的热风整平( i - i a s l ) 焊盘涂层工艺存 在一些缺点，因此目前o e m 厂商应用较广泛的包括有机可焊性保护层( o s p ) 采i n i a u 涂层工艺。其中n i a u 涂层又有浸金法和镀金法两种，浸金法由于工艺 简单而较受国内厂商青睐，但此法难干控制a u 层厚度，常会出现a u 层厚度 不足导致其下的n i 层氧化，影响回流焊接时焊点的性能。此种情况，厂商一 般可用俄歇电子能谱仪( a e s ) 精确测量p c b 焊盘的a u 层厚度是否符合规格。 1 3 2 3 焊接工艺在s m t ，m c m 制作工艺过程中，通常会遇到诸如钎料储存 温度不当、焊盘钎料不足、再流焊温度曲线设置不当等问题。就无铅焊接而 言，再流焊工艺温度曲线的优化至为重要，优良的工艺既可保证形成高可靠性 的焊接，又保持尽可能低的峰值温度。目前除日本以外，其他国家的消费电子 公司似乎都接受了锡银铜合金系列，合金中a g 所占比例为3 q 7 ，c u 为 o 5 0 一3 。不同成分的合金熔点相差不大，基本上在2 1 7 一2 2 1 之间，而 s n p b 共晶合金( 6 3 的s n 和3 7 的p b ) 的液相温度是1 8 3 ，两者相差3 4 。 因此应严密监控再流焊接工艺中的关键变量。 1 4 无铅焊点的可靠性研究现状以及存在的问题 1 4 1 无铅焊点的可靠性研究现状 在微电子封装产业中，为提高集成度，减小器件的尺寸，广泛采用s m t 组装技术、新型的芯片尺寸封装( c s p ) 、球栅阵n ( b g a ) 及m c m 等封装技术， 均通过焊点互连直接实现异质材料间电气及机械连接，因此，如何保证焊点的 质量是一个重要问题，它的质量与可靠性很大程度决定了电子产品的质量。所 以通常所说的电子封装的可靠性研究，大都是针对焊点来讨论的。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 焊点内部的热应力是使焊点失效的本质之一，在应变不协调处产生应力集 中，导致裂纹萌生和扩展，应力越高，应变越大，裂纹萌生和扩展的可能性越 大。焊点最常见的破坏大都由于热循环造成。元件在使用时，芯片会发热，热 量透过封装传导到焊点，使焊点温度上升，由于封装与基板间的热膨胀系数不 同，当温度变化时，封装体会产生翘曲，焊点介于中间，会因应力而产生变 形；当停止使用时，温度降回到室温，形成与使用时相反的应力，结果使得焊 点随着一次次的使用而产生形变，接着产生裂纹、扩展，形成断裂面，使焊点 电阻值提高，讯号无法通过焊点而传递，致使元件失效。 要研究焊点的失效机制，无铅钎料的本构方程的建立是头等重要的，因为 本构方程描述的是焊点材料在载荷下应力应变关系，国外的学者目前对无铅钎 料的本构方程相对的研究比较多，通常采用两种本构方程来描述焊点材料的应 力应变行为，一种是a n a n d 统一粘塑性本构方程，另一种是塑性变形和蠕变变 形相分离的g a r o f a l o 弹塑性蠕变本构方程。b r y a nr o d g e r s 和p 锄g f 铷f 2 l j 等人分 别确定了s n 3 8 a 9 0 7 c u 无铅钎料a n a n d 本构方程。而eg u o 等人1 2 2 1 1 2 3 1 分别测 定了s n 3 s a 9 0 7 c u 及s n 3 5 a g 的g a r o f a l o 弹塑性蠕变本构方程；目前国内在 这方面的研究很少，陈旭、王国忠等人讲l 嘲通过对铸态无铅体钎料在一定的温 度范围内进行不同的恒应变速率下拉伸实验，获得应力应变数据，分别确定了 s n 3 5 a g 统一型a n a n d 粘塑性本构方程，认为a n a n d 方程能够很好的描述无铅 焊点的粘塑性行为。 s m t 焊点可靠性依赖于包括焊点外观几何形态在内的诸多因素，如焊点的 内部质量、材料的匹配性、焊接材料的力学性能、焊点的热机械加载条件等。 其中焊点的几何形态是影响s m t 焊点可靠性的重要因素。对于无铅钎料焊点三 维形态预测国内外大量的研究 2 ”2 9 ，主要根据最小能量原理和有限元方法，研 究表明：焊点可靠性与焊点的实际形态和应力分布状态有着对应关系，对焊点 形态和力学行为进行研究可以揭示它们之间的相互关系，达到预测和控制焊点 形态并进行优化设计的目的。 焊点内部空洞缺陷( 如图1 2 ) 也是影响可靠性的重要因素，其形成的主要原 因是由加热期间焊锡中夹住的空气或助焊剂等化合物的膨胀所引起的1 3 0 l 。空洞 是互连焊点在回流焊接中，常见的一种缺陷，尤其在b g a 和c s p 等元器件上的 表现尤为突出。在无铅焊接中，空洞仍然是一个必需关注的问题，这是因为 在熔融状态下，s n a g c u 合金比s n p b 合金的表面张力更大，表面张力的增加， 势必会使气体在冷却阶段的外溢更加困难，使得空洞比例增加。这一点在无铅 锡膏的研发过程中得到证实【3 1 1 ，褚卫华、陈循等人【3 2 】研究了热循环加载条件下 啥尔滨理工大学工学硕士学位论文 图1 - 2b g a 焊点中不同大小的空洞 f i g 1 - 2v a r i o u s s i z eo f v o i d si nb g a s o l d e r j o i n t s 空洞对e b g a 焊点可靠性的影响，并通过非线性有限元分析方法分析不同位置 和不同大小的空洞对焊点应力、应变和可靠性的影响，为制定科学的焊点空洞 接收标准提供依据。 一个完整的微电子组装焊点系统包括钎料、焊盘及联系二者之间的界面金 属间化合物( i m c ) 层，从软钎焊冶金学角度来讲，正是钎料与焊盘之间形成界 面金属间化合物层，实现了软钎焊的连接，一般说来，钎料和基体反应形成的 金属间化合物能增加钎料对基体的润湿，但由于i m c 的本征脆性，随着金属 间化合物的厚度增加，焊点的力学性能急剧下降，导致焊点提前失效 3 3 1 。目前 对无铅焊点界面金属间化合物的研究，目前研究较多是其生长机理的研究对当 前最为成熟的s n a g c u 系无铅钎料而言，因其熔点相比含铅的高，相应的回流 焊温度也将提高，且s n 含量相比也高，使得c u 基体在熔融钎料中的溶解和扩 散提高，研究表明p 4 】：c u 通过界面上的c u 3 s n 和c u 6 s n 5 金属间化合物薄层迅 速扩散，往往在c u c u 3 s n 或c u 3 s n c u 6 s 5 界面上形成k i r k e n d a l l 空洞，在高温 老化过程中使得机械连接强度快速减弱。s n a g c u 钎料与c u 基板间形成的金 属间化合物主要是c u 6 s n 5 、c u 3 s n 和a g a s n ，c u 6 s n 5 、c u 3 s n 会出现分层现 象，a g a s n 会在界面以棒状或针状伸向钎料基体内部。s kk a n g 3 5 1 研究表明分 布在焊点界面处伸向钎料基体内部的粗大的条块状的a 9 3 s n 会严重影响焊接处 的力学性能。焊点的组织结构的稳定性在后期的服役条件下对电子元器件是很 重要的，金属元素在不同基板上具有不同的扩散能力，而i m c 的分布主要是 由钎料合金成分与金属元素的扩散能力决定的。由此可知，在无铅焊点界面处 复杂的金属间化合物层，是造成焊点可靠性的又一大隐患。 1 4 2 无铅焊点可靠性研究存在的问题 要成功实现对新的组装结构或新的服役条件下焊点可靠性评估和寿命的预 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 测，还需要解决与无铅钎料相关的三个主要问题，包括材料行为的研究，应 力、应变和能量密度的分析技术，焊点失效数据库的建立等。 1 4 2 1 无铅钎料的性能表征虽然目前已开发出不少无铅钎料，但每一种钎料 的性能数据还很不完善。如材料的应力应变行为，包括温度和应变速率对应力 应变行为的影响等材料热物理性能的时间相关参数还很缺乏，对材料的蠕变和 应力松弛等与时间有关的行为还缺乏理解。且前，对s n a g 系和s n a g c u 无铅 钎料的性能有一定的数据报道，但其无铅钎料的性能数据十分匮乏。另外，从 块体钎料所得到的材料性能数据并不一定可直接应用于焊点，如对拘束条件下 ( 底充胶和界面等) 焊点的性能、弥撒分布的i m c 对焊点性能的影响、晶须生长 及对焊点性能的影响、焊点中晶粒度等晶粒组织变化对焊点性能的影响等还有 待于深入研究。 1 4 2 2 无铅钎料本构关系的建立目前，对焊点的应力、应变及应变能密度分 析的理论和有限元模拟技术没有太大困难，一些商用软件已能比较精确地进行 上述计算，但对无铅钎料本构方程和相关表征参量仍无公认的数据，对在有限 元分析中嵌入无铅钎料的特定本构关系还需研究。 1 4 2 3 无铅钎料焊点破坏的数据累积对于目前开发的无铅钎料，已有一些有 关焊点破坏和可靠性研究的数据，初步看来，影响无铅钎料焊点寿命的因素比 较复杂，而对焊点破坏判据目前仍无统一的认识，寿命一般被定义为失效时的 循环数，有的以焊点萌生裂纹时的循环数为焊点寿命，有的以焊点整体断裂时 对应的循环数为焊点寿命，还有的从焊点塑性失稳时对应的循环数为焊点的寿 命，另外的一些学者则以实验中5 0 焊点断裂时的统计循环数为焊点的寿命。 无疑为准确预测无铅钎料焊点的寿命，还需对不同封装结构中无铅焊料焊点进 行大量的试验研究，以积累焊点破坏和寿命数据，进而确定合理的失效判据。 还需指出的是，目前的有限数据大多是在模拟试件上获得的，据此进行无铅钎 料焊点的寿命预测，还应考虑封装结构的影响。电子封装结构的形式多种多 样，不同封装结构中焊点的变形行为有明显的差异，应变的发生、应变速率和 应变累积等均受结构形式的重要影响，这些最终将影响焊点的寿命。同时，必 需考虑钎料性能的温度和应力水平的依赖性，不同温度、不同应力水平下焊料 的蠕变抗力不同，如s n a g c u 系钎料，在低应力水平时有较高的蠕变抗力，在 高应力水平时的应变抗力则较低。另外，目前的寿命试验大多是通过加速试验 进行的，而加速因子受加速试验条件和钎料合金系的影响，加速试验