Sn-Ag-Cu無(wú)鉛焊料的可靠性研究

       

Sn-Ag-Cu無(wú)鉛焊料的可靠性研究

1 引言 

　　電子產(chǎn)品在我們的生活中無(wú)處不在。在這些產(chǎn)品中，電子封裝技術(shù)起著舉足輕重的作用。隨著IC制造業(yè)的迅速發(fā)展，電子封裝產(chǎn)業(yè)面臨著越來(lái)越大的挑戰(zhàn)[1]。隨著對(duì)高性能、大功率、小型化在電子產(chǎn)品中要求的不斷擴(kuò)大，電子封裝正從有引線(peripherallead)封裝向平面陣列(area array)無(wú)引線封裝趨勢(shì)發(fā)展[2]。

　　由于焊點(diǎn)既能作為電氣通道，又能在芯片和基板之間提供機(jī)械連接同時(shí)提高導(dǎo)熱率，所以它在電子封裝中得到r廣泛的應(yīng)用[3]。因而焊點(diǎn)的可靠性問(wèn)題是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)和使用時(shí)的核心問(wèn)題之一。電子封裝件的焊點(diǎn)在服役過(guò)程中伴隨著循環(huán)的熱-機(jī)械應(yīng)力作用，極易發(fā)生熱疲勞和蠕變。因此如何評(píng)測(cè)它的可靠性和壽命就變得非常迫切。

　　2 無(wú)鉛焊料的發(fā)展

　　由于價(jià)格低廉，具有良好的導(dǎo)電性，優(yōu)良的力學(xué)性能和可焊性，sn-Pb焊料成為連接器件和印刷電路板的首選焊接連接材料。近年來(lái)，無(wú)鉛焊料的研究和開(kāi)發(fā)受到了越來(lái)越廣泛的重視。主要原因有：(1)研究表明Pb對(duì)人體的健康和環(huán)境有不利的影響；(2)傳統(tǒng)的SnPb焊料剪切強(qiáng)度、抗蠕變和抗疲勞能力差，導(dǎo)致平面陣列封裝的焊點(diǎn)過(guò)早失效；(3)電子產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，對(duì)焊料等互連材料提出了新的要求。

　　歐盟對(duì)電子產(chǎn)品實(shí)施RoHS(Restriction of：Haz-ardous Substances)法令無(wú)疑更加快了焊料無(wú)鉛化的進(jìn)程。傳統(tǒng)Sn-Pb焊料的無(wú)鉛替代品原則上應(yīng)符合以下要求[4]:(1)熔點(diǎn)接近傳統(tǒng)Sn-Pb焊料的熔點(diǎn)，特別應(yīng)該接近共晶sn-Pb焊料的熔點(diǎn)(～183℃)；(2)與基板材料或金屬材料有較好的浸潤(rùn)能力；(3)機(jī)械性能至少不低于Sn-Pb焊料，抗疲勞性能好；(4)與現(xiàn)有的液體助焊劑相匹配；(5)加工性能好；(6)以焊膏形式存在時(shí)有足夠的壽命和使用性能；(7)焊后缺陷率小；(8)價(jià)格合適，供應(yīng)充足；(9)毒性小，不會(huì)對(duì)人和環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

　　國(guó)際上對(duì)無(wú)鉛焊料的定義為：以Sn為基，添加Ag、Cu、Zn、Bi等元素構(gòu)成的二元、三元甚至四元的共晶合金，代替SnPb焊料，其中W(Pb)應(yīng)小于0．1％[5]。表1給出了常用錫基二元合金焊料的優(yōu)缺點(diǎn)[6]。
  3 Sn-Ag-Cu合金的主要性能 

　　到日前為止已出現(xiàn)r許多種無(wú)鉗焊料系列。但是，國(guó)際上一致公認(rèn)的最有可能取代鉛錫焊料的足Sn-Ag-Cu合金系列[10]。這種合金系列是在Sn-Ag合金的基礎(chǔ)上添加Cu，能夠在維持Sn-Ag合金良好性能的同時(shí)，稍微降低其熔，，而且添加Cu以后，能減少所焊材料中Cu的溶解。Sn-Ag-cu的共晶成分還沒(méi)有精確地確定下來(lái)。在日本認(rèn)為是96．5Sn3．0Ag0．5Cu，美國(guó)認(rèn)為是95．5Sn3．9Ag0．6Cu，而歐盟則是95．5Sn3．8Ag0．7Cu[7]。

　　3．1 典型Sn-Ag-Cu合金的物理性能

　　在典型的Sn-Ag-Cu合金組織照片(見(jiàn)圖1)中，剛繞β-Sn初品形成了共品組織，幾乎看不出與Sn-Ag共品晶組織有區(qū)別。Ag3Sn徽細(xì)結(jié)晶具有相當(dāng)長(zhǎng)的纖維狀組織，Cu6Sn5的微細(xì)析出品粒混在其中。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[8]，Sn-Ag-Cu合金三元共晶點(diǎn)的成分為95．6Sn-3．5Ag-0．9cu(±1％)，其熔點(diǎn)為217℃，存在多個(gè)Sn-Ag-Cu成分點(diǎn)，這些點(diǎn)的熔化溫度在217℃-227 ℃之間。

　　3．2 Sn-Ag-Cu合金的其他性能

　　Sn-Ag-cu合金的抗拉強(qiáng)度接近或高于Sn-Pb共品。近共晶點(diǎn)合金的屈服強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、沖擊韌性及蠕變抗力均高于Sn-Pb共晶焊料。Sn-Ag-Cu合金，離共晶點(diǎn)成分越遠(yuǎn)，不僅熔點(diǎn)升高，而且抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度也升高，但延伸率降低。而在浸潤(rùn)性方面，Sn-Ag-Cu合金要比Sn-Pb共晶合金稍差一點(diǎn)[9]。

　　4 可靠性研究

　　電子器件服役時(shí)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)由于芯片與基板、元器件與印刷電路板(PCB)材料熱膨脹系數(shù)的差異，在焊點(diǎn)內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力而造成焊點(diǎn)的疲勞損傷；另一方面，相對(duì)于服役的環(huán)境溫度，焊料自身熔點(diǎn)較低，隨著時(shí)間的延續(xù)，產(chǎn)生明顯的黏性行為而導(dǎo)致焊點(diǎn)的蠕變損傷。可靠性問(wèn)題還包括接頭中電子遷移及接頭與界面處的金屬間化合物的生長(zhǎng)。焊點(diǎn)的可靠性研究主要集中在焊點(diǎn)的失效機(jī)制，影響焊點(diǎn)失效的因素，焊點(diǎn)失效的檢測(cè)及焊點(diǎn)的壽命預(yù)測(cè)等。

　　4．1 無(wú)鉛焊點(diǎn)的主要失效形式及原因

　　當(dāng)熔融的焊料與清凈的基板接觸時(shí)，在界面處會(huì)形成金屬問(wèn)化合物(Intermetallic compounds，IMc)。在焊點(diǎn)服役時(shí)，其微結(jié)構(gòu)會(huì)粗化，界面處的IMC亦會(huì)不斷增長(zhǎng)。隨IMC厚度的增長(zhǎng)，會(huì)引起焊點(diǎn)中微裂紋萌生乃至斷裂。IMC造成失效的原因主要有：(1)IMC達(dá)到一定厚度時(shí)會(huì)表現(xiàn)出脆性；(2)由于反應(yīng)中組元的擴(kuò)散速率不同造成Kirkendall空洞。一般而言，界面處IMC越厚，焊點(diǎn)越可能在層間發(fā)生脆性斷裂[10]。

　　電子器件在服役條件下，電路的周期性通斷電和環(huán)境溫度的周期性變化，會(huì)使焊點(diǎn)經(jīng)受溫度循環(huán)過(guò)程。封裝材料間的熱膨脹失配，將使焊點(diǎn)中產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，而應(yīng)變基本上要由焊點(diǎn)來(lái)承擔(dān)，造成焊點(diǎn)中裂紋的萌生和擴(kuò)展并最終導(dǎo)致焊點(diǎn)失效。蠕變是一種熱激發(fā)過(guò)程，在許多條件下均能發(fā)生，由于室溫(T=293K)已高于大部分無(wú)鉛焊料熔點(diǎn)的一半(0．5T_)值。因此蠕變是無(wú)鉛焊料的主要變形方式之一。

　　4．2 可靠性的主要研究方法

　　對(duì)無(wú)鉛焊點(diǎn)可靠性的研究方法主要有兩種：試驗(yàn)法和數(shù)值模擬法。

　　4．2．1 試驗(yàn)法

　　任何封裝件都不可避免地存在某種缺陷，為了確保其可靠性，必須在出廠前對(duì)其進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)就是在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)獲得產(chǎn)品可靠性認(rèn)證的有關(guān)數(shù)據(jù)。加速壽命實(shí)驗(yàn)中的載荷要比實(shí)際應(yīng)用中的載荷強(qiáng)度更大，在較短的時(shí)間內(nèi)就可以觀察到失效模式，并獲得可靠性數(shù)據(jù)[11]。

　　試驗(yàn)中主要測(cè)試的是在拉伸載荷、壓縮載荷、剪切載荷等不同載荷下，材料和結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，同時(shí)還測(cè)量材料和結(jié)構(gòu)的拉伸強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度和抗疲勞性等。其中包括：芯片的斷裂測(cè)試，凸點(diǎn)/焊球的剪切和抗拉測(cè)試，引線、連線的抗拉測(cè)試，芯片的剪切和抗拉試驗(yàn)，焊球陣列封裝(Ball Grid Array，BGA)的剪切和抗拉試驗(yàn)，焊點(diǎn)材料和界面的疲勞測(cè)試等。

　　研究焊點(diǎn)的抗疲勞能力的試驗(yàn)方法有：加電功率循環(huán)、熱循環(huán)和機(jī)械疲勞三種。循環(huán)試驗(yàn)適用于較大熱膨脹系數(shù)(CTE)失配的部件。由于在加速實(shí)驗(yàn)中最高和最低溫度下保溫時(shí)間要比在現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)間大大縮短，因而應(yīng)力松弛不完全，所以現(xiàn)場(chǎng)上的失效壽命總是小于加速實(shí)驗(yàn)中達(dá)到的壽命。

　　研究蠕變行為通常采用兩類(lèi)試驗(yàn)：同定負(fù)載下的持久應(yīng)力試驗(yàn)和同定形變下的應(yīng)力松弛試驗(yàn)，兩類(lèi)試驗(yàn)都可以用于模擬焊點(diǎn)服役過(guò)程中的負(fù)載條件。持久應(yīng)力試驗(yàn)?zāi)軌蛱峁╈o態(tài)蠕變速率與溫度及應(yīng)力大小的關(guān)系，更有利于了解蠕變機(jī)制，是一種更常用的方法。

　　Sn-Ag-Cu焊點(diǎn)可靠性研究步驟如下：

(1)將Sn-Ag-Cu焊料用模板印制到印制電路板(PCB)的焊盤(pán)上，用半自動(dòng)貼片機(jī)貼好后，在紅外回流爐中進(jìn)行再流焊，一般焊多組試樣；

(2)將焊后的焊點(diǎn)在高溫中(一般為l 50℃左右)保溫不同時(shí)間(等溫時(shí)效)后取出做顯微剖樣及剪切強(qiáng)度測(cè)試；

(3)將焊后的PCB板放入熱沖擊試驗(yàn)箱中進(jìn)行冷熱循環(huán)試驗(yàn)，設(shè)定最高溫度、最低溫度、循環(huán)周期、高低溫的保溫時(shí)間，經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)周期后將試樣取出進(jìn)行顯微剖樣及剪切強(qiáng)度測(cè)試；

(4)在不同熱循環(huán)次數(shù)和等溫時(shí)效時(shí)間下，比較焊點(diǎn)顯微組織和剪切強(qiáng)度的變化，找出其中的規(guī)律。

　　4．2．2 數(shù)值模擬法

　　眾所周知，由于Sn-Ag-Cu焊點(diǎn)向小尺寸、細(xì)節(jié)距方向發(fā)展，這給試驗(yàn)帶來(lái)了更大的困難。為了克服上述困難，通常采用數(shù)值模擬法計(jì)算可靠性的數(shù)據(jù)。計(jì)算不同場(chǎng)合下的封裝結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，有限元法(Finite Element Method，F(xiàn)EM)是一種非常強(qiáng)大和有效的方法。

　　有限元模擬及在微組裝焊點(diǎn)可靠性分析中的應(yīng)用，主要集中在三個(gè)方面[12]：

(1)采用有限元分析，求解焊點(diǎn)內(nèi)部循環(huán)非線性應(yīng)變范圍，代入Manson-coffin方程，預(yù)測(cè)焊點(diǎn)壽命；

(2)根據(jù)焊點(diǎn)的最大：Mises等效應(yīng)力或等效非彈性應(yīng)變，預(yù)測(cè)裂紋萌生部位；

(3)以焊點(diǎn)的Mises等效應(yīng)力分布，評(píng)價(jià)不同形態(tài)焊點(diǎn)的可靠性，指導(dǎo)焊點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　有限元模擬包括以下幾個(gè)階段：首先建立本構(gòu)方程或理論方程；然后采用適當(dāng)?shù)募僭O(shè)，編寫(xiě)有限元程序；進(jìn)而計(jì)算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在模擬條件下的應(yīng)力-應(yīng)變；將有限元分析結(jié)果代入疲勞模型，預(yù)測(cè)失效前的疲勞，循環(huán)次數(shù)；最后是試驗(yàn)驗(yàn)證。

　　在多數(shù)情況下試驗(yàn)法和數(shù)值模擬法是同時(shí)使用的。這樣二者相輔相成，能更好地研究焊點(diǎn)的可靠性。

　　5 展望

　　電子封裝件無(wú)鉛化已經(jīng)是大勢(shì)所趨。Sn-Ag-Cu焊料以其獨(dú)特的優(yōu)越性逐漸成為SnPb焊料替代品的首選。隨著對(duì)Sn-Ag-Cu可靠性研究的不斷深入，這種焊料將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮更大的潛能。

 

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