Sn-Ag-Cu無鉛焊料的可靠性研究

1、Sn-Ag-Cu無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)面臨著越來越大的挑戰(zhàn)1。隨著對高性能、大功率、小型化在電子產(chǎn)品中要求的不斷擴大，電子封裝正從有引線(peripherallead)封裝向平面陣列(area array)無引線封裝趨勢發(fā)展2。      由于焊點既能作為電氣通道，又能在芯片和基板之間提供機械連接同時提高導熱率，所以它在電子封裝中得到r廣泛的應用3。因而焊點的可靠性問題是電子產(chǎn)品設計

2、和使用時的核心問題之一。電子封裝件的焊點在服役過程中伴隨著循環(huán)的熱-機械應力作用，極易發(fā)生熱疲勞和蠕變。因此如何評測它的可靠性和壽命就變得非常迫切。 2 無鉛焊料的發(fā)展      由于價格低廉，具有良好的導電性，優(yōu)良的力學性能和可焊性，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，無鉛焊料的研究和開發(fā)受到了越來越廣泛的重視。主要原因有：(1)研究表明Pb對人體的健康和環(huán)境有不利的影響；(2)傳統(tǒng)的SnPb焊料剪切強度、抗蠕變和抗疲勞能力差，導致平面陣列封裝的焊點過早失效；(3)電子產(chǎn)品應用領(lǐng)域的不斷擴大，對焊料等互連材料提出了新的要求

3、。      歐盟對電子產(chǎn)品實施RoHS(Restriction of：Haz-ardous Substances)法令無疑更加快了焊料無鉛化的進程。傳統(tǒng)Sn-Pb焊料的無鉛替代品原則上應符合以下要求4:(1)熔點接近傳統(tǒng)Sn-Pb焊料的熔點，特別應該接近共晶sn-Pb焊料的熔點(183)；(2)與基板材料或金屬材料有較好的浸潤能力；(3)機械性能至少不低于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)以焊膏形式存在時有足夠的壽命和使用性能；(7)焊后缺陷率小；(8)價格合適，供應充足；(9)毒性小，不會對人和環(huán)境

4、產(chǎn)生不利影響。      國際上對無鉛焊料的定義為：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)應小于015。表1給出了常用錫基二元合金焊料的優(yōu)缺點6。 3 Sn-Ag-Cu合金的主要性能      到日前為止已出現(xiàn)r許多種無鉗焊料系列。但是，國際上一致公認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合金的基礎上添加Cu，能夠在維持Sn-Ag合金良好性能的同時，稍微降低其熔，而且添加Cu以后，能減少所焊材料中C

5、u的溶解。Sn-Ag-cu的共晶成分還沒有精確地確定下來。在日本認為是965Sn30Ag05Cu，美國認為是955Sn39Ag06Cu，而歐盟則是955Sn38Ag07Cu7。 31 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(見圖1)中，剛繞-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徽細結(jié)晶具有相當長的纖維狀組織，Cu6Sn5的微細析出品粒混在其中。      根據(jù)相關(guān)文獻8，Sn-Ag-Cu合金三元共晶點的成分為956Sn-35Ag-09

6、cu(±1)，其熔點為217，存在多個Sn-Ag-Cu成分點，這些點的熔化溫度在217-227 之間。 32 Sn-Ag-Cu合金的其他性能      Sn-Ag-cu合金的抗拉強度接近或高于Sn-Pb共品。近共晶點合金的屈服強度、剪切強度、沖擊韌性及蠕變抗力均高于Sn-Pb共晶焊料。Sn-Ag-Cu合金，離共晶點成分越遠，不僅熔點升高，而且抗拉強度和剪切強度也升高，但延伸率降低。而在浸潤性方面，Sn-Ag-Cu合金要比Sn-Pb共晶合金稍差一點9。 4 可靠性研究      電子器件服役時，當環(huán)境溫度變

7、化時由于芯片與基板、元器件與印刷電路板(PCB)材料熱膨脹系數(shù)的差異，在焊點內(nèi)部產(chǎn)生熱應力而造成焊點的疲勞損傷；另一方面，相對于服役的環(huán)境溫度，焊料自身熔點較低，隨著時間的延續(xù)，產(chǎn)生明顯的黏性行為而導致焊點的蠕變損傷?？煽啃詥栴}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。焊點的可靠性研究主要集中在焊點的失效機制，影響焊點失效的因素，焊點失效的檢測及焊點的壽命預測等。 41 無鉛焊點的主要失效形式及原因      當熔融的焊料與清凈的基板接觸時，在界面處會形成金屬問化合物(Intermetallic compounds，IMc)。在焊點服役時，

8、其微結(jié)構(gòu)會粗化，界面處的IMC亦會不斷增長。隨IMC厚度的增長，會引起焊點中微裂紋萌生乃至斷裂。IMC造成失效的原因主要有：(1)IMC達到一定厚度時會表現(xiàn)出脆性；(2)由于反應中組元的擴散速率不同造成Kirkendall空洞。一般而言，界面處IMC越厚，焊點越可能在層間發(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，會使焊點經(jīng)受溫度循環(huán)過程。封裝材料間的熱膨脹失配，將使焊點中產(chǎn)生應力和應變，而應變基本上要由焊點來承擔，造成焊點中裂紋的萌生和擴展并最終導致焊點失效。蠕變是一種熱激發(fā)過程，在許多條件下均能發(fā)生，

9、由于室溫(T=293K)已高于大部分無鉛焊料熔點的一半(05T_)值。因此蠕變是無鉛焊料的主要變形方式之一。 42 可靠性的主要研究方法      對無鉛焊點可靠性的研究方法主要有兩種：試驗法和數(shù)值模擬法。 421 試驗法      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，必須在出廠前對其進行加速壽命試驗。該實驗就是在實驗室里進行試驗來獲得產(chǎn)品可靠性認證的有關(guān)數(shù)據(jù)。加速壽命實驗中的載荷要比實際應用中的載荷強度更大，在較短的時間內(nèi)就可以觀察到失效模式，并獲得可靠性數(shù)據(jù)11。   &#

10、160;  試驗中主要測試的是在拉伸載荷、壓縮載荷、剪切載荷等不同載荷下，材料和結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應，同時還測量材料和結(jié)構(gòu)的拉伸強度、斷裂強度和抗疲勞性等。其中包括：芯片的斷裂測試，凸點/焊球的剪切和抗拉測試，引線、連線的抗拉測試，芯片的剪切和抗拉試驗，焊球陣列封裝(Ball Grid Array，BGA)的剪切和抗拉試驗，焊點材料和界面的疲勞測試等。      研究焊點的抗疲勞能力的試驗方法有：加電功率循環(huán)、熱循環(huán)和機械疲勞三種。循環(huán)試驗適用于較大熱膨脹系數(shù)(CTE)失配的部件。由于在加速實驗中最高和最低溫度下保溫時間要比在現(xiàn)場工作時間大大縮短，因

11、而應力松弛不完全，所以現(xiàn)場上的失效壽命總是小于加速實驗中達到的壽命。      研究蠕變行為通常采用兩類試驗：同定負載下的持久應力試驗和同定形變下的應力松弛試驗，兩類試驗都可以用于模擬焊點服役過程中的負載條件。持久應力試驗能夠提供靜態(tài)蠕變速率與溫度及應力大小的關(guān)系，更有利于了解蠕變機制，是一種更常用的方法。 Sn-Ag-Cu焊點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)的焊盤上，用半自動貼片機貼好后，在紅外回流爐中進行再流焊，一般焊多組試樣； (2)將焊后的焊點在高溫中(一般為l 50左右)保溫不同時間(等溫時效)

12、后取出做顯微剖樣及剪切強度測試； (3)將焊后的PCB板放入熱沖擊試驗箱中進行冷熱循環(huán)試驗，設定最高溫度、最低溫度、循環(huán)周期、高低溫的保溫時間，經(jīng)過一定的循環(huán)周期后將試樣取出進行顯微剖樣及剪切強度測試； (4)在不同熱循環(huán)次數(shù)和等溫時效時間下，比較焊點顯微組織和剪切強度的變化，找出其中的規(guī)律。 422 數(shù)值模擬法      眾所周知，由于Sn-Ag-Cu焊點向小尺寸、細節(jié)距方向發(fā)展，這給試驗帶來了更大的困難。為了克服上述困難，通常采用數(shù)值模擬法計算可靠性的數(shù)據(jù)。計算不同場合下的封裝結(jié)構(gòu)的應力分布，有限元法(Finite Element Meth

13、od，F(xiàn)EM)是一種非常強大和有效的方法。      有限元模擬及在微組裝焊點可靠性分析中的應用，主要集中在三個方面12： (1)采用有限元分析，求解焊點內(nèi)部循環(huán)非線性應變范圍，代入Manson-coffin方程，預測焊點壽命； (2)根據(jù)焊點的最大：Mises等效應力或等效非彈性應變，預測裂紋萌生部位； (3)以焊點的Mises等效應力分布，評價不同形態(tài)焊點的可靠性，指導焊點的優(yōu)化設計。      有限元模擬包括以下幾個階段：首先建立本構(gòu)方程或理論方程；然后采用適當?shù)募僭O，編寫有限元程序；進而計算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在模擬條件下的應力-應變；將有限元分析結(jié)果代入疲勞模型，預測失效前的疲勞，循環(huán)次