無(wú)鉛焊點(diǎn)可靠性問(wèn)題分析及測試方法

隨著(zhù)電子信息產(chǎn)業(yè)的日新月異，微細間距器件發(fā)展起來(lái)，組裝密度越來(lái)越高，誕生了新型SMT、MCM技術(shù)，微電子器件中的焊點(diǎn)也越來(lái)越小，而其所承載的力學(xué)、電學(xué)和熱力學(xué)負荷卻越來(lái)越重，對可靠性要求日益提高。電子封裝中廣泛采用的SMT封裝技術(shù)及新型的芯片尺寸封裝（CSP）、焊球陣列（BGA）等封裝技術(shù)均要求通過(guò)焊點(diǎn)直接實(shí)現異材間電氣及剛性機械連接（主要承受剪切應變），它的質(zhì)量與可靠性決定了電子產(chǎn)品的質(zhì)量。

　　一個(gè)焊點(diǎn)的失效就有可能造成器件整體的失效，因此如何保證焊點(diǎn)的質(zhì)量是一個(gè)重要問(wèn)題。傳統鉛錫焊料含鉛，而鉛及鉛化合物屬劇毒物質(zhì)，長(cháng)期使用含鉛焊料會(huì )給人類(lèi)健康和生活環(huán)境帶來(lái)嚴重危害。

　　目前電子行業(yè)對無(wú)鉛軟釬焊的需求越來(lái)越迫切，已經(jīng)對整個(gè)行業(yè)形成巨大沖擊。無(wú)鉛焊料已經(jīng)開(kāi)始逐步取代有鉛焊料，但無(wú)鉛化技術(shù)由于焊料的差異和焊接工藝參數的調整，必不可少地會(huì )給焊點(diǎn)可靠性帶來(lái)新的問(wèn)題。因此，無(wú)鉛焊點(diǎn)的可靠性也越來(lái)越受到重視。本文敘述焊點(diǎn)的失效模式以及影響無(wú)鉛焊點(diǎn)可靠性的因素，同時(shí)對無(wú)鉛焊點(diǎn)可靠性測試方法等方面做了介紹。

　　焊點(diǎn)的失效模式

　　焊點(diǎn)的可靠性實(shí)驗工作，包括可靠性實(shí)驗及分析，其目的一方面是評價(jià)、鑒定集成電路器件的可靠性水平，為整機可靠性設計提供參數；另一方面，就是要提高焊點(diǎn)的可靠性。這就要求對失效產(chǎn)品作必要的分析，找出失效模式，分析失效原因，其目的是為了糾正和改進(jìn)設計工藝、結構參數、焊接工藝等，焊點(diǎn)失效模式對于循環(huán)壽命的預測非常重要，是建立其數學(xué)模型的基礎。下面介紹3種失效模式。

　　1焊接工藝引起的焊點(diǎn)失效

　　焊接工藝中的一些不利因素及隨后進(jìn)行的不適當的清洗工藝可能會(huì )導致焊點(diǎn)失效。SMT焊點(diǎn)可靠性問(wèn)題主要來(lái)自于生產(chǎn)組裝過(guò)程和服役過(guò)程。在生產(chǎn)組裝過(guò)程中，由于焊前準備、焊接過(guò)程及焊后檢測等設備條件的限制，以及焊接規范選擇的人為誤差，常造成焊接故障，如虛焊、焊錫短路及曼哈頓現象等。

　　另一方面，在使用過(guò)程中，由于不可避免的沖擊、振動(dòng)等也會(huì )造成焊點(diǎn)的機械損傷，如波峰焊過(guò)程中快速的冷熱變化對元件造成暫時(shí)的溫度差，使元件承受熱一機械應力。當溫差過(guò)大時(shí)，導致元件的陶瓷與玻璃部分產(chǎn)生應力裂紋。應力裂紋是影響焊點(diǎn)長(cháng)期可靠性的不利因素。

　　同時(shí)在厚、薄膜混合電路（包括片式電容）組裝過(guò)程中，常常有蝕金、蝕銀的現象。這是因為焊料中的錫與鍍金或鍍銀引腳中的金、銀形成化合物，從而導致焊點(diǎn)的可靠性降低。過(guò)度的超聲波清洗也可能對焊點(diǎn)的可靠性有影響。

　　2時(shí)效引起的失效

　　當熔融的焊料與潔凈的基板相接觸時(shí)，在界面會(huì )形成金屬間化合物（intermetallicCompounds）。在時(shí)效過(guò)程中，焊點(diǎn)的微結構會(huì )粗化，界面處的IMC亦會(huì )不斷生長(cháng)。焊點(diǎn)的失效部分依賴(lài)于IMC層的生長(cháng)動(dòng)力學(xué)。界面處的金屬間化合物雖然是焊接良好的一個(gè)標志，但隨著(zhù)服役過(guò)程中其厚度的增加，會(huì )引起焊點(diǎn)中微裂紋萌生乃至斷裂。

　　當其厚度超過(guò)某一臨界值時(shí)，金屬間化合物會(huì )表現出脆性，而由于組成焊點(diǎn)的多種材料間的熱膨脹失配，使焊點(diǎn)在服役過(guò)程中會(huì )經(jīng)歷周期性的應變，形變量足夠大時(shí)會(huì )導致失效。研究表明Sn60／Pb40軟釬料合金中加入微量稀土元素鑭，會(huì )減少金屬化合物的厚度，進(jìn)而使焊點(diǎn)的熱疲勞壽命提高2倍，顯著(zhù)改善表面組裝焊點(diǎn)的可靠性。

　　3熱循環(huán)引起的失效

　　電子器件在服役條件下，電路的周期性通斷和環(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。封裝材料問(wèn)的熱膨脹失配，將在焊點(diǎn)中產(chǎn)生應力和應變。如在SMT中芯片載體材料A1203陶瓷的熱膨脹系數（CTE）為6×10-6℃-1，而環(huán)氧樹(shù)脂／玻璃纖維基板的CTE則為15×10-6℃-1。溫度變化時(shí)，焊點(diǎn)將承受一定的應力和應變。一般焊點(diǎn)所承受應變?yōu)?％～20％。在THT工藝中，器件的柔性引腳會(huì )吸收由于熱失配而引起的大部分應變，焊點(diǎn)真正承受的應變是很小的。而在SMT中，應變基本由焊點(diǎn)來(lái)承受，從而會(huì )導致焊點(diǎn)中裂紋的萌生和擴展，最終失效。