Sn-Ag-Cu無(wú)鉛焊料的可靠性研究

　　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(zhù)舉足輕重的作用。隨著(zhù)IC制造業(yè)的迅速發(fā)展，電子封裝產(chǎn)業(yè)面臨著(zhù)越來(lái)越大的挑戰[1]。隨著(zhù)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(xiàn)(peripherallead)封裝向平面陣列(area array)無(wú)引線(xiàn)封裝趨勢發(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械連接同時(shí)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(diǎn)的可靠性問(wèn)題是電子產(chǎn)品設計和使用時(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(zhù)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(wú)鉛焊料的發(fā)展

　　由于價(jià)格低廉，具有良好的導電性，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對人體的健康和環(huán)境有不利的影響；(2)傳統的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(diǎn)過(guò)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。

　　歐盟對電子產(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Sn-Pb焊料的無(wú)鉛替代品原則上應符合以下要求[4]:(1)熔點(diǎn)接近傳統Sn-Pb焊料的熔點(diǎn)，特別應該接近共晶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??；(8)價(jià)格合適，供應充足；(9)毒性小，不會(huì )對人和環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

　　國際上對無(wú)鉛焊料的定義為：以Sn為基，添加Ag、Cu、Zn、Bi等元素構成的二元、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r許多種無(wú)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(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)。在日本認為是96．5Sn3．0Ag0．5Cu，美國認為是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共品晶組織有區別。Ag3Sn徽細結晶具有相當長(cháng)的纖維狀組織，Cu6Sn5的微細析出品?；煸谄渲?。

　　根據相關(guān)文獻[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合金的抗拉強度接近或高于Sn-Pb共品。近共晶點(diǎn)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(diǎn)成分越遠，不僅熔點(diǎn)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(diǎn)[9]。

　　4 可靠性研究

　　電子器件服役時(shí)，當環(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)材料熱膨脹系數的差異，在焊點(diǎn)內部產(chǎn)生熱應力而造成焊點(diǎn)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(diǎn)較低，隨著(zhù)時(shí)間的延續，產(chǎn)生明顯的黏性行為而導致焊點(diǎn)的蠕變損傷?？煽啃詥?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(cháng)。焊點(diǎn)的可靠性研究主要集中在焊點(diǎn)的失效機制，影響焊點(diǎn)失效的因素，焊點(diǎn)失效的檢測及焊點(diǎn)的壽命預測等。

　　4．1 無(wú)鉛焊點(diǎn)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(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)，其微結構會(huì )粗化，界面處的IMC亦會(huì )不斷增長(cháng)。隨IMC厚度的增長(cháng)，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達到一定厚度時(shí)會(huì )表現出脆性；(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(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)生應力和應變，而應變基本上要由焊點(diǎn)來(lái)承擔，造成焊點(diǎn)中裂紋的萌生和擴展并最終導致焊點(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

　　對無(wú)鉛焊點(diǎn)可靠性的研究方法主要有兩種：試驗法和數值模擬法。

　　4．2．1 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(chǎng)前對其進(jìn)行加速壽命試驗。該實(shí)驗就是在實(shí)驗室里進(jìn)行試驗來(lái)獲得產(chǎn)品可靠性認證的有關(guān)數據。加速壽命實(shí)驗中的載荷要比實(shí)際應用中的載荷強度更大，在較短的時(shí)間內就可以觀(guān)察到失效模式，并獲得可靠性數據[11]。

　　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，材料和結構的動(dòng)態(tài)響應，同時(shí)還測量材料和結構的拉伸強度、斷裂強度和抗疲勞性等。其中包括：芯片的斷裂測試，凸點(diǎn)/焊球的剪切和抗拉測試，引線(xiàn)、連線(xiàn)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(diǎn)材料和界面的疲勞測試等。

　　研究焊點(diǎn)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(CTE)失配的部件。由于在加速實(shí)驗中最高和最低溫度下保溫時(shí)間要比在現場(chǎng)工作時(shí)間大大縮短，因而應力松弛不完全，所以現場(chǎng)上的失效壽命總是小于加速實(shí)驗中達到的壽命。

　　研究蠕變行為通常采用兩類(lèi)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(lèi)試驗都可以用于模擬焊點(diǎn)服役過(guò)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(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度測試；

(3)將焊后的PCB板放入熱沖擊試驗箱中進(jìn)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(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度測試；

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

　　4．2．2 數值模擬法

　　眾所周知，由于Sn-Ag-Cu焊點(diǎn)向小尺寸、細節距方向發(fā)展，這給試驗帶來(lái)了更大的困難。為了克服上述困難，通常采用數值模擬法計算可靠性的數據。計算不同場(chǎng)合下的封裝結構的應力分布，有限元法(Finite Element Method，FEM)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(diǎn)可靠性分析中的應用，主要集中在三個(gè)方面[12]：

(1)采用有限元分析，求解焊點(diǎn)內部循環(huán)非線(xiàn)性應變范圍，代入Manson-coffin方程，預測焊點(diǎn)壽命；

(2)根據焊點(diǎn)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(diǎn)的Mises等效應力分布，評價(jià)不同形態(tài)焊點(diǎn)的可靠性，指導焊點(diǎn)的優(yōu)化設計。

　　有限元模擬包括以下幾個(gè)階段：首先建立本構方程或理論方程；然后采用適當的假設，編寫(xiě)有限元程序；進(jìn)而計算結構系統在模擬條件下的應力-應變；將有限元分析結果代入疲勞模型，預測失效前的疲勞，循環(huán)次數；最后是試驗驗證。

　　在多數情況下試驗法和數值模擬法是同時(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)是大勢所趨。Sn-Ag-Cu焊料以其獨特的優(yōu)越性逐漸成為SnPb焊料替代品的首選。隨著(zhù)對Sn-Ag-Cu可靠性研究的不斷深入，這種焊料將會(huì )得到更廣泛的應用，發(fā)揮更大的潛能。