（固体力学专业论文）无铅焊料对电子封装芯片动态可靠性影响的研究.pdf

太原理【大学硕十研究生学位论文 无铅焊料对电子封装芯片动态可靠性影响的研究 摘要 随着信息时代的到来，电子工业得到了迅猛发展，电子产业已成为 最引人注目和最具发展潜力的产业之一，电子产业的发展也带动了与之密 切相关的电子封装业的发展，其重要性越来越突出。 目前电子封装领域中的研究主要集中在对封装件的热湿应力的静力 学问题的研究，而对焊点的动力破坏行为缺乏系统的研究。由冲击、跌落 等动态因素引起的焊点破坏进而导致的器件破坏在电子封装芯片的破坏 中占有很大的比例( 2 0 ) ，因此对封装芯片在高应变率下的动力破坏的研 究是十分必要的。本文的工作包括对两种不同成份的无铅焊料的动态压 缩力学行为的实验研究、由实验数据拟合得到与应变率相关的材料本构关 系，初步探讨了无铅焊料和含铅焊料对应的焊点动力破坏特性。论文主要 包括以下内容： 1 使用h o p k i n s o n 压杆实验技术，获得了这三种焊料在5 0 0 s 2 0 0 0 s 。应变率下的应力应变关系曲线。 2 基于c o w p e r s y m o n d s 模型，以实验数据为基础，拟合得到了三种 材料的两个粘性参数c 和p ，进而得到了三种焊材屈服应力随应变率的 变化关系。 3 利用已有的材料弹性模量、静态屈服极限以及前面得到的粘性材料 参数，使用l s d y n a 有限元程序模拟s h p b 实验过程，获得了材料的强 化模量及泊松比。结合材料的静态应力应变关系，给出了应变率相关的 l 奎堕堡：兰查堂堡主竺壅竺! 竺丝苎 材料动态本构关系。 4 使用所得到的焊料基本力学性能和动态本构关系，对一个简化的b g a 封装模型的跌落过程进行了有限元数值模拟，比较不同焊料在跌落中所表 现的差异，对焊料在冲击载荷作用下的破坏模式进行分析和探讨，为以后 进行的焊点疲劳寿命估计和焊点形态优化设计提供依据。 关键词：电子封装，无铅焊料，s h p b 实验，跌落模拟 太原理1 ：大学硕士研究生学位论文 t h e s t u d y o n t h ee f f e c t so fl e a d f r e e s o l d e r0 nt h ed y n a m i cr e l i a b i l l t y o ft h ep a c k a g e dc h i p a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ea r r i v a lo fi n f o r m a t i o na g e ，t h ee l e c t r o n i ci n d u s t r yh a so b t a i n e d e l l o i t n o u $ d e v e l o p m e n t ，w h i c hh a sb e e na l r e a d yo d eo ft h em o s ta t t r a c t i v ea n dp o t e n t i a l i n d u s t r y , a n dw h i c ha l s ob r i n g sa l o n gt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i cp a c k a g i n gi n d u s t r y , a n di ss h o w i n gg r e a t e ri m p o r t a n c e a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho nt h ee l e c t r o n i cp a c k a g i n gi sm a i n l yc o n c e n t r a t e do nt h es t a t i c p r o b l e m s ，m d u c e db yh e a to rd a m pa n di sl a c k i n gs y s t e m i cs t u d yo nt h ed y n a m i cb r e a k i n g b e h a v i o ro ft h es o l d e r s t h ew e l d i n g d o t sb r e a k a g ei n d u c e db yi m p a c t m gf a l l i n go f f , e r e w h i c ht h e nr e s u l ti nt h eb r e a k a g eo f p a n sh a sg r e a tp r o p o r t i o ni nt h r e ed a m a g eo f e l e c t r o n i c p a c k a g i n gc h i p s ( 2 0 ) t h e r e f o r e ，i ti sq u i t en e c e s s a r yt os t u d yt h ed y n a m i cd a m a g e b e h a v i o ro fe l e c t r o n i cp a c k a g i n gc h i p su n d e rh i g hs t r a i n - r a t e t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo n m e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft w ok i n d so fl e a d f r e es o l d e r su n d e rd y n a m i cc o m p r e s s i o ni s c a r r i e do u ti nt h i sp a p e r , a n dt h e nd e r i v e st h es t r a i n r a t ed e p e n d e n tc o n s t i t u t i v er e l a t i o n sb y f i t t i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h ep r i m a r ye x p l o r a t i o no nt h eb r e a k i n gp r o p e r t i e so f w e l d i n g - d o to f t h el e a d f r e ea n dl e a d b a s e ds o l d e r si sm a d ei nt h ep a p e r t h em a i nc o n t e n t s a r eo u t l i n e da sf o l l o w i n g ： 1 t h es t r e s s s t r a i nc l l r v e so ft h es o l d e r sr e f e r r e da b o v eu n d e rt h ev a r i o u ss t r a i n r a t e so f 5 0 05 一一2 0 0 0j a l eo b t a i n e dt h r o u g hs h p b ( s p l i th o p k i n s o np r e s s u r eb a r l t e s t i n g t e c h n i q u e 2 b a s e do nc o w p e r - s y m o n d sm o d e l ，t h et w ov i s c o u sp a r a m e t e r sfa n dpa r e o b t a i n e db yf i t t i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h e r e b y , w eg e tt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ny i e l d l i l 太原理j ：大学硕士研究生学位论文 s t r e s sa n ds t r a i n r a t eo ft h et h r e es o l d e r s 3 u s i n gt h ea v a i l a b l em a t e r i a ly o u n g sm o d u l u s ，s t a t i cy i e l d - - - s t r e s s e sa n db yu s i n g f i n i t ee l e m e n tc o d el s d y n at og e tt h em a t e r i a l st a n g e n tm o d u l u sa n dp o s s i o n sr a t i o a l e o b t a i n e d t h e n ，c o m b i n i n gt h em a t e r i a l ss t a t i c s t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i p s ，t h e m a t e r i a l sd y n a m i cc o n s t i t u t i v er e l a t i o n s h i p sw h i c ha l es t r a i n r a t ed e p e n d e n ta r eg i v e n 4 u s i n gt h ed e r i v e d b a s i cm e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e s a n dd y n a m i cc o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s h i p so ft h es o l d e r s t h ed r o p p i n gp r o c e s so ft h es i m p l i f i e dp a c k a g em o d u l eo f b g a ( b a l lg r i da r r a y ) i ss i m u l a t i n gt h r o u g ht h ef e m t h ed i f f e r e n c e sa m o n gt h es o l d e r si n t h ed r o p p i n ga l ec o m p a r e d ，a n dt h es o l d e r s f a i l u r em a d eu n d e r i m p a c t i n gl o a da r ea n a l y z e d a n dd i s c u s s e d i tc a np r o v i d es o m er e f e r e n c e sf o rt h ee s t i m a t i o no ff a t i g u el i f ea n d c o n f i g u r a t i o no p t i m i z a t i o nd e s i g no f t h es o l d e r s k e yw o r d s ：s h p be x p e r i m e n t ；l e a d f r e es o l d e r s ；d y n a m i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ； s t r a i n - r a t ee f f e c t ；c o n s t i t u t i v er e l a t i o n i v 太原理l ：大学硕十研究生学位论文 符号说明 n o t a t i o n 试件横截面所受的压力 试件的横截面面积 轴向压缩应力 试件长度 试件变形长度 轴向压缩应力 压杆的弹性模量 材料密度 压杆的横截面积 弹性应力波波速 入射应变信号 反射应变信号 透射应变信号 材料轴向应力对时j 日j 的函数 材料轴向应变对时阔的函数 材料轴向应变率对时问的函数 c o w p e r s y m o n d s 粘性材料参数 与应变率相关的屈服极限 静念屈服极限 以fs 一，v 尹 f 乳 一 川 一 e p a 印 鼻 。 啪 嘲 蚋 “ q 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：耋竺堕日期：兰：望：! ：! 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名：薹塑竺日期： 导师签名：日期： 弘叮f 17 太原理1 人学硕十研究生学位论文 1 1 电子封装概述 第一章绪论 随着信息时代的到来，电子工业得到了迅猛发展，计算机、移动电话等产品的迅 速普及，使得电子产业成为最引人注目和最具发展潜力的产业之一，电子产业的发展 也带动了与之密切相关的电子封装业的发展，其重要性越来越突出。 电子封装最仞的定义1 1 是：保护电路芯片免受周围坏境的影响( 包括物理、化学 的影响) 。而现在电子封装已从早期为芯片提供机械支撑、保护和电热连接功能，逐 渐融入到芯片制造技术和系统集成技术之中。通常认为，封装主要有四大功能，即功 率分配、信号分配、散热及包装保护。 电子工业的发展离不开电子封装的发展，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1 ： 第一阶段为上世纪8 0 年代之前的插7 l 式安装( t h d ) 时代。包括最仞的金属圆形 ( t o 型) 封装，后来的陶瓷双列直插封装( c d i p ) 、陶瓷一玻璃双列直插封装( c e r d l p ) 和塑 料双列直插封装( p d i p ) 。插孔式安装由于性能优良、成本低廉又能批量生产而成为主 流产品。但是其功能数不高，引脚数较少( 少于6 4 ) ，板的装配密度小封装可由工 人用手插入p c b 板的通孔中，引线节距固定，封装的最大安装密度是1 0 脚c m 2 ，随 着新的封装形式的不断涌现，这类封装将加速萎缩。 第二阶段是上世纪8 0 年代的表面安装器件时代。一批适应表面安装技术的封装 形式，如塑料有引线片式体( p l c c ) 、塑料四边引线扁平封装( p q f p ) 、塑料小外形封装 ( p s o p ) d a 及无引线四边扁平封装等封装形式应运而生，迅速发展。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，土产率，最大引线数达到3 0 0 ，安装密度达到1 p 5 0 脚c m 2 ，此时也是金属引线塑 】 太原理工大学硕十研究生学位论文 料封闭的黄金时代。但这一时期的封装在封装密度、i o 数及电路频率方面还是难以 满足a s i c 、微处理器发展的需要。 第三阶段是上世纪9 0 年代的焊球阵列封装( b g a ) 芯片尺寸封装( c s p ) 时代。b g a 封装技术的出现是封装技术的一大突破，它是近几年来推动封装市场的强有力的技术 之一，b g a 封装一改传统的封装结构，将引线从封装基板的底部以阵列球的方式引出， 这样不仅可以安排更多的i 0 ，而且大大提高了封装密度，b g a 封装的安装密度大 约是4 0 - - 6 0 脚c m 2 。b g a 突的优点足：电性能更好：b g a 4 t 焊球代管引线，引 h 路径短，减少了引脚延迟、电阻、电容和电感；封装密度更高；山于焊球是整个 平而排列，因此对于同样而积，引脚数更高。由于焊料熔化时的表而张力具仃”自 对准”效应，避免了传统封装引线变形的损失，人人提高了组装成品孝：焊球引出 形i j 样适用j 二多芯片组件和系统封装。b g a 正足以它突j j 的优点存随j 亓的3 d 叠层 封装i i 依然得到应用。 第四阶段是2 1 世纪迎来的3 d 叠层封装时代。其代表性的产品将是系统级封装 ( s i p ：s y s t e m i nap a c k a g e ) ，它在封装观念上发生了革命性的变化，从原柬的封装元件 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 mm 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1 0 倍川。 电子封装的发展历程如图1 1 所示，纵观近几年的电子封装产业，电子封装技术 从单芯片向多芯片发展，从二维向三维方向发展，从分立向系统方向发展，继续朝着 超高密度、超小型、高度集成的方向发展，继续向低成本、高性能、多功能的方向发 展。随着芯片及集成度水平的不断提高，电子封装的作用也将变得越来越重要。 2 太原理 大学硕十研究生学位论文 图1 - 1电子封装发展历程 f i g i 一1e l e c t r o n i cp a c k a g i n ge v o l u t i o n 1 2 电子封装的研究现状 近年来，随着电子产品的普及，为了切实提高电子产品的可靠性，各大公司和研 究所的研究人员对电子封装的可靠性问题进行了广泛深入的研究，从热失效、湿失效、 焊点可靠性等多个方面进行了研究。 1 2 1 热对电子封装可靠性的影响 近年来，国外研究者已经取得了不少有关电子封装热应力分析的成果。d a r v e a u x 。， m a w r e t a l ”1 对p b g a 封装体4 2 1 个焊球进行了热冲击热疲劳特征分析，在疲劳循环测 试中发现，离芯片周界最近的焊球最先失效。m u s t a i n h a 和y a s i r , a ，q 等1 对封装体 的完全阵列和部分阵列建立了二维有限元模型进行应力分析，发现在两种装配中焊球 距离芯片越近热疲劳就越明显，部分阵列中有更高的应力应变分布。t e n yd i s h o n g h ， c e m a lb a s a r a n 等”通过将热电偶放置于计算机的处理器中的实验，研究热冲击对焊 接疲劳寿命的影响，以实际工业生产中的热冲击为基准在实验中进行了三种热冲击加 载，结果表明，焊点的疲劳寿命不是独立于热冲击的，而且工业基准中的热冲击导致 j t j 1 保守的疲劳寿命。p a oyh ，g o v i l ar 等对s m t 锡铅焊点的热疲劳特性进行了实验 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 与有限元研究。b r y a nr o d g e r s ，j e f fp u n c h , j o h nj a r v i s ”考虑了在b g a 封装的芯片处 热生成的影响，实验过程中用c c d 相机拍下了在封装体内部产生的温度分布图，进 行数值模拟得到了与实验结果较吻合的结果，理论分析发现芯片处的热生成对疲劳寿 命的影响较小。f a nx ”等人对有无热传导球的b g a 线弹性有限元模型进行了模拟， 分析了热传导球对芯片弯曲程度的影响。m s p r a u l ”“等人利用高低温循环实验箱对 s n p b 焊料及s n a g c u 焊料倒装焊芯片在温度循环下的焊点破坏进行了实验，并利用 有限元软件对此过程进行了模拟，得到了相同的结果。图1 2 为实验结果及有限元得 到的结果。 图i 2 温度循环下的焊点破坏( 实验结果及有限元计算结果) f i g i 一2t h es o l d e r sw r e c kc a u s e db yt h et h e r m a ll o a d 与国外相比，我国关于微电子器件封装的热应力研究起步较晚，研究还比较分散， 人员的投入相对而占比较少，但也取得了一定的进展。钱仁根”1 研究了复合材料因热 流在裂纹周围引起的热应力，并对用环氧树脂粘结的陶瓷钢板进行了数值计算。周德 俭、刘常康等”4 。”l 建立了塑料球栅阵列焊点形态成型模型，用焊点成形软件得到焊点 形态，编制程序进行关键焊点的非线性有限元分析。 1 2 2 湿汽对电子封装可靠性的影响 塑料封装具有重量轻、体积小、成本低、适应于自动化生产等优点，被广泛应用 于电子产品。但是，塑封材料中的环氧树脂类密封材料气密性不好，对湿汽敏感。湿 汽的侵入会导致集成电路中会属的氧化和腐蚀”1 ，j 。此外进入器件内部的湿汽会逐渐 在芯片与塑封料、引线框架与塑封料之| 、日j 界面处凝结。当器件经历温度循环或高温时， 这些界面处的湿汽将会膨胀，造成芯片与塑封料、引线框架与塑封料之间的分层，以 及所谓的“爆米花”现象”。而且，在高温情况下，湿汽会降低塑封料的玻璃化转变 4 太原理1 ：人学硕七研究生学位论文 当塑封好的表面贴装器件安装在p c b 板上时，一般要经过再流焊工艺，其峰值 温度可达2 2 5 。c ，此时封装器件内部吸收的湿汽将会膨胀，使两种材料的界面处产生 分层；当器件内部的水汽含量较大时，湿汽膨胀形成的应力将会使塑封料鼓起，这在 器件表面也可以看到；当膨胀应力过大时，塑封料将会开裂，使水汽能逸出器件，引 起“爆米花”现象。即使吸收的水汽在非常低的水平上，所有这些失效也都能发生。 最近有报告说，当吸收的水汽含量高于o 1 7 时，“爆米花”现象就能发生，而这样低 的水汽含量即使在最好的环氧树脂中也是很常见的。分层和开裂现象的形成，将会使 器件内部的芯片更容易受到外界环境不利因素的影响，并形成焊点可靠性降低，会属 化层位移和变形，以及腐蚀引起的漏电流、开路等其他失效，最终导致整个器件和系 统的失效”。 x j f a n ，j z h o u ，c o z h a n g ”“对潮及蒸汽在p b g a 蒸汽压力模型中的分布做了理 论分析及有限元模拟，用有限元得到的潮分布与蒸汽压力分向的结果如图l 一3 所示。 图i 3p b g a 蒸汽压力模型有限元模拟得到的潮分布与蒸汽压力分布 f i g i 一3 m o i s t u r ea b s o r p t i o na n dv a p o rp r e s s u r ea tr e f l o w ( 2 2 0 。c 1 f o rv a p o rp r e s s u r em o d e l i n g ( p b g a ) 实验证明湿气的汽化对爆米花，现象起重要作用2 鲥。同时界面处不同材料之 间热膨胀系数的差别以及吸湿引起的界面强度降低都有利于裂纹的产生。另有研究表 明，快速膨胀的水汽压前端推进了裂纹的延伸。g o v i n d 和p e c h t 通过测定吸湿前后 的塑封样品在回流焊条件下的变形位移以及扫描超声显微镜( s a m ) 探测器件分层情 s 太原理 大学硕十研究生学位论文 况”“，发现吸湿后的样品局部出现因吸水引起的肿胀变形，这种变形进而导致了分层 和“爆米花”现象的发生；而干燥样品呈现轴对称的整体变形，且芯片与胶粘合良好， s a m 没有探测到分层现象。t a y 和l i n ”测定了8 0 引脚的q f p 器件吸水后界面的断 裂强度因子，发现水汽肿胀仅使预置裂纹的应力强度因子提高了1 0 。因此，单纯的 湿应力是不足以产生和扩展分层的，水汽必须经过气化，其蒸汽压促使分层的扩展。 1 2 3 焊点质量对电子封装可靠性的影响 焊点的可靠性主要取决于焊区的微观组织，而焊区的微观组织则取决于钎焊过程 和服役过程中界面的相互反应和相互扩散。研究表明钎料上的金属问化合物是焊点可 靠性的关键因素”，所以了解基板与焊料之间的反应非常重要。由于绝大多数无铅焊 料的s n 含量都很高，而且钎焊的温度要高于传统的s n p b 焊料，这使得钎焊反应以 及时效过程中界面金属问化合物的生长行为研究愈发显得重要”。 在服役时效过程中，界面会属问化合物层要继续生长。过厚的会属i 日j 化合物层会 导致焊点断裂韧性和抗低周疲劳能力下降。”。金属间化合物层( i m c ) 影响焊点的力 学性能的原因大致有两种：当其厚度超过某一临界值时，金属问化合物会表现出脆性， 而由于组成焊点的多种材料日j 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；此外，与i m c 生长有关的另一个失效机制是 k i r k e n d a l l 孔洞的生长和集聚。“。k i r k e n d a l l 孔洞是由于反应中组元的扩散速率不同而 产生的。为此，充分了解界面i m c 的生长规律是研究焊点可靠性的一个前提。 t u 和z e n g ”“总结和分析了在电子封装中无铅焊点的六个可靠性问题。它们是化 学镀n i ( p ) 与s n a g - c u 共晶钎料之问的反应；c u n i ( v ) a l u b m 薄膜在s n a g - c u 共晶 钎料中的溶解；a u s n 4 在a u n i c u 衬挚上形成焊点组织内的重新分佰；基板一侧镀 层金属导致芯片一侧金属问化合物在钎焊过程中的脱离；倒装焊焊点的电迁移问题以 及c u 表面无铅镀层晶须生长等。这些问题的研究将进一步理解这些潜在可靠性问题 的本质。 1 2 4 冲击载荷对电子封装可靠性的影响 跌落试验是目前最为普遍的实验方法。所谓跌落试验，是指将封装产品放置在跌 落试验机上，调整跌落高度及跌落方向，通过传感器获得封装件的动态响应。跌落试 验的目的，一是通过一种加速寿命测试的方法，测试产品的使用寿命及产品发生破坏 6 太原理 ：大学硕十研宄生学位论文 的模式；二是通过模拟产品在使用过程中所受的冲击，观察产品关键部位的响应，依 此推断产生破坏的机理和可能的改进方案。 实验通常在各实验室针对个别产品进行：实验中用到的传感器则多数为在电路板 上贴应变片和加速度计，在撞击平面安装力传感器来测量撞击力；高速摄像机通常被 用来观测撞击的过程。这些初步的试验研究解决了一些技术性的问题如跌落姿态的控 制，传感器的安装等等，同时初步的实验现象和实验数据给进一步的研究提供了线索。 d e s m o n dy r c h o n g 等”。利用自制的跌落实验机对两种焊料下i c 封装的破坏进行了 实验研究，装置如图1 4 所示。 h 咀蝴啪im o d e l6 5 届id r o , pi m 乒c i 瞄蚶d r o pi 岱if i l t u r c 瞥h p c b 肿u 咄d ( 1 j l o 订 图1 - 4i c 封装的跌落冲击实验 f i g j - 4d r o pi m p a c te x p e r i m e n to fi cp a c k a g e s 由于贴片技术的广泛使用，电路板与芯片之问的细小焊点成为在跌落冲击中最容 易发生破坏的部位。一些研究者从不同角度进行了焊点破坏的主要机理的研究。t e e 等”1 观察了窄带球栅阵列( t h i n p r o f i l ef i n e - p i t c hb g a ，t b g a ) 和超微细球栅阵列 ( v e r y t h i n p r o f i l ef i n e p i t c hb g a ，v f b g a ) 芯片的焊点可靠性，试验和分析结果发现 冲击过程中芯片的惯性力和电路板的弯曲变形两种因素对焊点的破坏都有较大影响。 l u a n 等1 3 6 1 分析了电路板的模态响应，发现电路板的冲击响应以一阶模态为主；通过 实时的焊点电阻变化测量发现焊点发生断裂的原因是振动引发的周期疲劳。 还有一些研究者针对焊点本身设计了各种试验束检测焊点的强度以及焊锡材科 的动态响应。t a n 等。”对贴有多芯片封装模块( m u l t ic h i pm o d u l e s ) 的电路板进行了准静 态的5 点弯曲试验和跌落试验，g e n g 等对一般的b g a 封装芯片的电路板进行弯曲 试验，他们的实验表明焊点的破坏与加载速率有关，加载速率越高，焊点发生破坏所 7 太原理i 大学硕士研究生学位论文 需的变形越小，考虑到实际冲击过程中焊点的应变速率可能会很大，比如1 0 0 0 s ， s i v i o u r 等例、d a i l 4 0 1 和l e e 等则利用分离式h o p k i n s o ne , 杆( s p l i th o p k i n s o np r e s s u r e b a r ，s h p b ) 及分离式h o p k i n s o n 扭杆( s p l i th o p k i n s o nt o r s i o nb a r ，s h t b ) 方法测量了 铅锡焊材的动态特性。 另有一批研究者，对具体的产品跌落试验进行了数值模拟分析，z h u l 4 2 1 应用子模 型技术研究了b g a 芯片的电路板焊点冲击响应。s o g e 等1 4 3 1 发展了一种两步模式来分 析电路板焊点冲击响应，并且从实验中得到验证：t e e 等i “”j 对各种封装形式的芯片进 行了数值模拟和实验验证；y u 等1 4 6 1 则首次在数值模拟中考虑了焊点材料的杨氏模量 和屈服应力随应变率的变化。 g o y a is 等1 4 7 1 最先介绍了采用l s d y n a 的显式代码进行跌落试验数值模拟的基 本方法l o 。等4 9 j 研究了迷你高保真音响设备在跌落冲击下的瞬态响应，数值模拟 得到的加速度响应与实验结果较为接近；l i m 等侧利用a b a q u s e x p l i c i t 对寻呼机 的跌落冲击进行了数值模拟；爱立信公司的z h u 等5 ”通过模拟手机跌落的不同破坏 模式，示范了各种分析模型和技术，包括顺序法( s e q u e m i mt e c h n i q u e ) 、子模态法 ( s u b m o d e l i n g t e c h n i q u e ) 等；p a n 等”“则对t f t - l c d 显示器进行了详细的数值模拟， 试验验证和包装改进的工作。 我们看到，目前对于改领域的实验研究刚刚起步，无论是实验装置还是实验方法 都还有许多的问题需要研究；数值模拟作为辅助研究手段正得到推广，但数掘库的不 足是其实际应用的瓶颈：总之，面对这个全新又富有挑战性的研究领域，力学工作者 和机电工程师将大有可为删。 1 3 电子元器件的主要失效模式一1 封装失效的现象主要有“p o p c o r n ”，芯片( d i e ) 和银浆( d i ea t t a c h ，e p o x y ) 之问分 层，金属基板( p a d ) 和银浆之问分层，芯片和金属基板与塑封胶分层，芯片裂纹，塑封 胶裂纹、焊点破坏等。 热应力破坏在热学方面，印刷电路板上通常焊接有若干元器件，这类电子产品工作 持续时恻通常比较长，而工作的时候，电子元器件会产生一定的热量，热量在有不同 材料制成的电路板上传递时，会产生热变形，长时 日j 的高温作用，也会导致焊点发生 r 太原理工大学硕士研究生学位论文 蠕变现象，这些问题都是工程上需要考虑解决的问题。另外，热负荷造成的影响在于 材料的热膨胀，由于塑封器件所采用各种材料的热膨胀系数( c t e ，c o e f f i c i e n to f t h e 肿a ie x p a n s i o n ) 不同，而导致在温度载荷下不同部分的热应变不同造成的应力导 致的破坏。此外温度会导致材料的力学性能下降，聚合物与芯片、金属框架、印刷电 路板( p c b ，p r i n t e d c i r c u i t b o a r d ) 之间强度降低。图l 一5 为由热应力引起的焊点破坏 示意图。 热胀 冷缩 斟i 一5由热压力引起的焊点破坏 f i g i 一5 t h es o l d e r sw r e c kc a u s e db yt h et h e r m a ll o a d 湿应力破坏微电子封装中聚合材料和复合材料吸湿膨胀而芯片和会属框架不膨胀， 产生湿应力。与温度类似吸湿后材料的力学性能下降，聚合物与芯片、金属框架、印 刷电路板之日j 粘接强度降低。 回流过程中蒸汽压力造成的破坏回流过程中，高温( 2 4 0 2 6 0 c ) 使得材料吸收 的水分发生相变( 汽化) 而导致封装体内缺陷空穴内的很高蒸汽压力而导致的缺陷扩 展”。图1 - 6 为蒸汽压力造成电子封装件破坏的示意图。 p a c k a g ee x p o s e dt of e f k ，wl e m p e r a l u r et y p i c a l j y2 2 0 。c 呼1m o t s t u r ea b ；o r p t t o n s t a g e2 n f t t a i t o no fd e l a r m n a t t o na tr e f l o w s t a g e 4p a c k a g ec r a c k t t t g 越dv a p o rr e l t a s es t a g e 3d e l a m t m a t m t xp r 印a g 缸i 帆a a d p a c k a g e 辟 图l _ 6 蒸汽压力造成电子封装器件破坏示意图 f i gl - 6t h ei cp a c k a g e sw r e c kc a u s e db yt h ev a p o rp r e s s u r e 9 太原理l 。人学硕十研究生学位论文 焊球金属的疲劳破坏由于温度循环产生的周期性的蠕变和塑性变形而导致的焊点 金属的低周热疲劳破坏，这需要焊点金属的粘弹性本构模型，计算蠕变和塑性变形来 预测温度循环时焊点金属的疲劳寿命1 ”。 1 4 电子封装的无铝化 随着科学的进步和人类物质生产对环境造成的危害的r 益严重，伴随着电子产品 f 1 益深入并影响着社会生活，各类电子产品的更新换代带来的电子垃圾所产生的污染 已经成为越来越严重的社会问题，各国政府纷纷制定相应的法规，约束电子用品的使 用材料和废弃物的处理，使电子封装无铅化为全球趋势。 电子工业中大量使用的s n p b 合会焊料是造成污染的重要来源之一。在制造和使 用s n p b 焊料的过程中，由于熔化温度较高，有大量的铅蒸气逸出，将直接严重影响 操作人员的身体健康。波峰焊设备在工作中产生的大量的富铅焊料废渣，对人类生态 环境污染极大；而那些丢弃的各种电子产品、p c b 上所含的铅也不容忽视。这些被作 为垃圾处理的废电产品埋入地下后，其中所含的铅可能会从电产品渗出进入地下水。 近年来有关地下水中铅的污染更引起人们的关注，除了废弃的蓄电池大量含铅外，以 美国为例，每年随电子产品丢弃的p c b 约一亿块，按每块含s n p b 焊料l o g ，其中铅 含量为4 0 计算，每年随p c b 丢弃的铅量即为4 0 0 吨，当下南时这些铅变成溶于水 的盐类，逐渐溶解污染水，特别是在遇酸雨时，雨中所含的硝酸和舱酸更促使铅的溶 解。流入我们的饮用水之中，从而污染水源，破坏环境。”。 美国环境保护署( e p a ) 研究表明：铝及其化合物是1 7 种严重危害人类寿命与自 然环境的化学物质之一；专家称，铝会属可以通过人的呼吸系统、消化系统以及皮肤直 接进入人体，在人体内积淀。人体中存在过量的铅将导致贫血、高血压、弱智、身材 矮小以及神经和再生系统紊乱；由于儿章新陈代谢速度比成年人快，对于金属的吸收 率更高，因此铅污染对于儿章的伤害更为严重| 。“。 因此，为了保护人的身体健康和生态环境，在电子行业中使用无铅焊料势在必行。 然而无铅化电子封装却是电子行业中最大的挑战。 电子产品中铝主要分柿于焊料、电子元器件本身以及陶瓷基板”中大致分饰如 图l 一7 所示： l o 太原理j f 大学硕士研究生学位论文 图1 7 铅在电子产品中的分布 f i g1 7 t h ed i s t r i b u t i o no f l e a di ne l e c t r o n i cp r o d u c t 从图上可以看出铅基焊料是电子垃圾中最重要的污染源，不能做到焊料无铅化， 电子封装的无铅化就是无稽之谈。 1 4 1 无铅焊料的具体要求 无铅焊料研制和丌发的目的是使无铅焊料的基本性能( 如熔点、洞湿性能等) 与目 前使用的锡铅焊料的基本性能尽可能的一致，这样在不改变现有工艺技术和生产设备 的情况下就可以投入生产。要取代传统的铅基焊料必须符合或者接近有铝焊料的一些 基本特性和要求。具体指标5 9 枷如下： ( 1 1 替代合金应是无毒性的。 ( 2 ) 熔点应同锡铅体系焊料的熔点( 1 8 3 c ) 接近，不应超过2 0 0 。 ( 3 ) 供应材料必须在世界范围内容易得到，数量上满足全球的需求。 ( 4 ) 替代合会还应该是可循环再生的，如将四种金属加入到无铅焊锡可能使循环再 生过程复杂化，并且增加其成本。 ( 5 ) 机械强度和耐热疲劳性要与锡铅焊料( 6 3 s n 3 7 p b ) 大体相同。 ( 6 ) 焊料的保存稳定性要好。 ( 7 ) 替代合金必须能够具有电子工业使用的所有形式，包括返工与修理用的锡线、 锡膏用的粉末、波峰焊用的锡条、以及预成型( p r o - f o r m ) 。 ( 8 ) 合金相图应具有较窄的固液两相区，能确保有良好的润湿性和安装后的机械可 靠性。 1 1 太原理i 人学硕十研冗生学位论文 ( 9 ) 焊接后对各种焊接点检修容易。 ( 1 0 ) 导电性好，导热性好。 1 4 2 无铅焊料的发展现状 目前世界各国有报导的无铅焊料已经超过7 0 种，而日本已经有含抗氧化剂的无 铅焊料进入了工业使用，一些无铅焊料甚至已经在电子封装中使用了多年。但是，目 前对无铝焊料的研究仍处于初级阶段，并没有找到一种成熟的、真正可以替代s n p b 焊料的产品。无铅焊料的熔点范围比传统锡铅焊料高1 5 3 5 0 c ，熔点较高是制约无铅 焊料大量应用的主要技术难题之一，熔点升高焊接工艺温度也将升高，而焊料的钎焊 性能受温度影响很大。目前主要的无铅焊料系列如表1 - 1 所示 6 ”。 表i 一1目前常用的无铅焊料 合金成份( )熔点特点 低成本、熔点高、润湿性莘、毛细作川力 s n 9 93 c u o 72 2 7 小、疲劳特性差，可用丁较低要求的焊接 场所。 s n c u 系列合金润湿性较s n c u o 7 好， s n c u o 7 a g o 3 2 1 7 2 2 7 但各项性能仍差于s n a 9 3 c u o 5 系列合 金。 成本极高，在刚传统无铅材料有可能田 s n a 9 35 2 2 l 为银相变化而无法通过可靠性测试。 成本高，各项性能良好。目前是厂家选川 s n a 9 3 c u o 5 - 0 7 2 1 7 - 2 1 8 最多的无锚焊料。 s n a 9 2 5 c u o 8 s b 2 1 7 各项性能良好，熔点较s n a 9 3 c u o 5 0 5更低，且更细品格的合金。 成本较s n a 9 3 c u o 5 高，各项性能良好， s n a 9 4 c u o5 - 0 ，7 2 1 7 - 2 1 8 目前常用的无铅焊料。 s n a 9 3 9 c u o 6 2 1 7 2 1 8 美国推荐使用 s n a 9 35 c u o 7 2 1 7 2 1 8 欧盟推荐使川 下面，我们对四种最重要的无铅焊料的优缺点进行分析l 删，如表1 - 2 所示 表1 2无铅焊料优缺点分析 优点缺点 锡锌系锡锌系焊料是无铅焊料中唯一与锡锚系焊料人气中使川表面会形成 熔点相接近的，1 9 9 c很j 的锌氧化膜 可以川在耐热性芹的元器什焊接上，并且成润；显性筹不容忽视，删r 本较低波峰焊生产时会山现人 1 2 太原理t 大学硕十研究生学位论文 量的浮渣 锡铜系焊料在焊点亮度、焊点成型和焊盘浸润等方熔点太高。2 2 7 面和传统锡铅焊料的焊接外观投有差别 锡铜系焊料构成简单，供给性好且成本低， 细间距同流焊中无桥连现象，同时也没有无 铅焊料专有的针状晶体和气孔可得到有光 泽的焊角 锡银系能在长时间内提供良好的粘接力熔点太高，2 2 i - 2 4 3 c 在同流焊时浸润性和扩散性与锡铅系焊料相 近 锡银系的助焊刺残留外观比锡铅系的残留还 要好 在合金的电导率，热导率和表面张力等方面 与锡铅合金不相上f 锡银铜 配比为3 0 - - 4 7 a g 和0 5 一1 7 c u 的合 塑性没有s n 9 9 3 - c u o 7 好 系金成分通常具有比s n 6 3 p b 3 7 更好的抗拉强度熔点太高，2 1 7 2 1 8 c 在强度和疲劳寿命上比锡银系、锡铜系表现 更好 从表l - 2 中我们可以有以下推断，锡银铜系焊料可能将是锡铅焊料的最佳替代品， 它有着良好的物理特性，还有着较低的熔点，适当地调整a g 和c u 的含量，就有可 能获得更加接近s n 6 3 p b 3 7 焊料的熔点。这样电子封装的无铅化将会变为现实。