無(wú)鉛制造的可行性與測試控制

向無(wú)鉛焊接的切換即不僅要確認長(cháng)期可靠性，和溫度（材料組）升至260℃時(shí)所發(fā)生的各種變化，還要對可制造性和測試能力進(jìn)行確認。如果這些基本結果不能達到，那么這種合金就不是一個(gè)合適的替代品。如果一種工藝不能生產(chǎn)出產(chǎn)品且保持可控，那么這種工藝就是不可行的。理解無(wú)鉛是怎樣影響到性能表現和工藝控制的，才是其執行的核心內容。

從高鉛材料（PbR）切換到無(wú)鉛材料時(shí), 應該加強對失效模式的分析(FMEA)。從機械學(xué)角度上看，典型的無(wú)鉛材料要比高含鉛材料硬。一般文獻中所引用的具有代表性的特性數據是源自一個(gè)固態(tài)樣本（標準的體積大小及質(zhì)量）。

不幸的是，回流后的焊料合金即不是標準的體積，也與初始的合金具有不同的成分（金、銅、鎳、鈀和其它金屬會(huì )污染合金，改變其機械參數）。我們缺少能夠對比球狀和塊狀焊點(diǎn)機械性能的、有凸點(diǎn)和無(wú)凸點(diǎn)倒裝芯片的、以及顯示無(wú)鉛合金機電性能改變的圖表。

對焊料凸點(diǎn)和外部環(huán)境間接觸區域的仔細檢查顯示出，硬度對插座設計，電氣接觸（阻抗和接觸電阻）以及整個(gè)產(chǎn)出有明顯的影響。不僅包括無(wú)鉛合金硬度增加帶來(lái)的問(wèn)題，就連表面氧化物/助焊劑殘留的綜合效應，也能在首次電氣接觸和接觸電阻上產(chǎn)生多種影響。

兩種現成的“BGA”器件（相同封裝，一種含鉛量高，另一種不含鉛；精確的合金成份與本次試驗無(wú)關(guān)）被用來(lái)評價(jià)焊料切換帶來(lái)的影響。圖1和圖2顯示了一個(gè)明顯的負荷變化情況，以證實(shí)類(lèi)似的凸點(diǎn)變形。（形變程度和為形成電氣接觸而在凸點(diǎn)上所施加的最小外力有直接關(guān)系對于使用錫鉛合金的電氣接觸而言，是典型的形變情況）





如圖3和圖4所顯示的，在目標負荷情況下，含鉛量高的器件會(huì )比無(wú)鉛合金器件發(fā)生最高可達50%的形變。當負荷移走后，含鉛量高的器件會(huì )保留比無(wú)鉛合金器件多達75%的形變。這種現象和高鉛焊料的機械特性有關(guān)，并在銅互連封裝的倒裝芯片上表現得尤其明顯。改變凸點(diǎn)的化學(xué)成份會(huì )導致在冶金學(xué)和機械性能方面的一系列改變；很可能是由于銅在焊接過(guò)程中的溶解和形成新的合金造成的。





當我們尋找改進(jìn)安裝到插座上的BGA或探針卡上的倒裝芯片壽命的方法時(shí)，需要懂得如何從高鉛向無(wú)鉛切換才會(huì )影響到電氣和機械性能，那么，物理測試是必需的。對于倒裝芯片，為確定是否在提高產(chǎn)出的同時(shí)能維持更好的工藝控制，電氣機械特性的比較分析是必需的。伴隨著(zhù)正確的工具設定（該過(guò)程使用改良自CSM儀表的工具），電氣接觸電阻——也包括確切的首次電氣接觸及機械持久力——能很容易獲得。

在評估中，我們確定了處于確切電氣接觸和機械形變之間的最佳接觸點(diǎn)，以便更好地進(jìn)行工藝控制。數據顯示，從高鉛向無(wú)鉛的切換，在電氣或機械方面都不是一個(gè)簡(jiǎn)單的轉換，這和回流溫度無(wú)關(guān)。這一方法也給研究者提供了一個(gè)早期的機會(huì )，以評估在焊料凸點(diǎn)的可靠性方面由于測試設備未對準而造成的影響。

電氣機械數據提供給工藝/設計FMEA人員在合金選擇方法上一個(gè)無(wú)偏差的數據。相對建模方式，這一基于實(shí)際數據來(lái)選擇合適材料的方法，在插座配置和界面硬件的配置上，從工程方面去除了憑猜測所做的工作，做到了“一次正確”的設定。合金的電氣機械特性的確定不僅僅幫助了封裝設計人員，也為器件設計提供了支持。無(wú)論在機械還是電氣方面，由于將器件裝入插座并測試而需要增加的負荷，硅片或許會(huì )被損壞。同樣重要地，如果實(shí)現電氣接觸所需要的力超過(guò)機械負荷極限時(shí)，具有低介電常數（Low K）結構的倒裝芯片將會(huì )面臨可靠性的問(wèn)題。

小幾何尺寸的高鉛倒裝芯片凸點(diǎn)在實(shí)現電氣接觸時(shí)，通常每個(gè)凸點(diǎn)需要承受15到20克的力。我們的團隊使用了一個(gè)經(jīng)改裝的“CSM－Instruments”的微米級硬度工具，針對模擬穩定電氣接觸和產(chǎn)出所需要的力的變量做出快速的評估。結果顯示，相對于錫鉛焊料，無(wú)鉛材料可能需要增加70%甚至更多的負荷（這個(gè)結果由四點(diǎn)探針機構的 Kelvin 連接確認過(guò)了，顯示了一個(gè)74%的差別。CSM工具使用了大約5分鐘，而使用 Kelvin 連接可能需要將近兩周時(shí)間才能得到結果）。代替標準測試模塊的電阻系數和硬度，設計者和工藝工程師需要向焊料和儀器供應商索要這類(lèi)數據。

上述因素在FMEA上可能帶來(lái)更大的變化，并且對性能產(chǎn)生影響（對部件和器件是相似的），比如助焊劑殘留物，氧化物，合金污染物應該和凸點(diǎn)合金一同被評估。清洗和其它通過(guò)去除助焊劑殘留和氧化物來(lái)清潔凸點(diǎn)的工藝，可以作為一個(gè)附加的標準，以便在一個(gè)實(shí)驗設計中得到驗證。DoE過(guò)程可以被概括為，針對凸點(diǎn)合金而建議采用正確的探針設計來(lái)匹配優(yōu)先的目標產(chǎn)出，同時(shí)增加生產(chǎn)量和優(yōu)化硬件設計。

針對凸點(diǎn)的幾何形狀優(yōu)化探針設計是非常必要的，這有助于防止探針在有效刺穿助焊劑殘留物和氧化層，保證電氣連接的同時(shí)，對凸點(diǎn)產(chǎn)生損傷（要形成電氣接觸，有些凸點(diǎn)的形變是需要的；過(guò)多的負荷導致了損壞和產(chǎn)出率的降 (低)。該工藝已從幾個(gè)月（有臨界結果）被改進(jìn)到了幾天（有精確的測試結果）。伴隨著(zhù)正確的方法，不斷改進(jìn)的工藝，以及器件和設備的優(yōu)化，一個(gè)完整的凸點(diǎn)形變和電氣優(yōu)化的分析用不了3天就可以完成。

最后，當比較無(wú)鉛和高鉛焊料時(shí)，注意由于尺寸的變化，在倒裝芯片的焊料凸點(diǎn)和μBGA封裝間（250μm凸點(diǎn)幾何尺寸相對750μm），會(huì )產(chǎn)生耐久力的變化。當加載了不同的負荷時(shí)，可以觀(guān)察到“形變”上的差別。實(shí)驗的結果是符合實(shí)際的測試數據的，其誤差小于5%（如果 Kelvin 連接是個(gè)因素的話(huà)，部分的誤差可以被消除）。對于測試硬件設計，預防性的維護（PM）和晶片的破裂而言，這一差別是非常關(guān)鍵的，尤其是當無(wú)鉛凸點(diǎn)安裝在低介電常數焊盤(pán)上時(shí)。在封裝或晶片上過(guò)多的負荷可能導致部件的損壞和設備的停機。如果使用無(wú)鉛焊料，尤其是使用在低介電常數結構上時(shí)，一個(gè)和這里所討論的某個(gè)類(lèi)似的分析方法，可能對市場(chǎng)銷(xiāo)售和可靠性的改良是有幫助的。