錫銀系無(wú)鉛焊點(diǎn)在電子封裝中的可靠性研究.pdf

1、傳統(tǒng)的Sn-Pb焊料具有良好的潤(rùn)濕性和較低的熔點(diǎn)并且價(jià)格低廉，在電子工業(yè)界中得到了廣泛的應(yīng)用，并形成了一套成熟的工藝體系。但是，長(zhǎng)期廣泛地使用含鉛焊料會(huì)給人類環(huán)境和安全帶來嚴(yán)重危害。因此，隨著歐盟RoHS指令法案和我國(guó)《電子信息產(chǎn)品污染防治管理辦法》的實(shí)施，電子產(chǎn)品的無(wú)鉛化進(jìn)程已全面展開。盡管目前對(duì)無(wú)鉛焊料合金、焊接和使用過程中焊點(diǎn)的界面反應(yīng)的研究已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展。但是無(wú)鉛焊料與傳統(tǒng)錫鉛焊料體系相比，我們對(duì)焊點(diǎn)界面的演化行為仍然缺乏

2、系統(tǒng)、深入的研究。與此同時(shí)，隨著現(xiàn)代電子不斷向密集化，小型化方面發(fā)展，對(duì)焊點(diǎn)在力學(xué)性能，電學(xué)性能以及熱性能方面都提出了更高的要求。因此對(duì)新型高性能無(wú)鉛焊料連接的可靠性的研究是電子工業(yè)的迫切需要。本文選取了目前應(yīng)用比較普遍的錫銀基無(wú)鉛焊料作為研究對(duì)象，對(duì)其焊點(diǎn)的界面耦合效應(yīng)進(jìn)行了研究。此外，針對(duì)手機(jī)、筆記本等小型電子產(chǎn)品的實(shí)際使用情況，運(yùn)用不同加載條件，對(duì)其焊點(diǎn)力學(xué)可靠性亦作了較為細(xì)致和全面的研究。希望能對(duì)新型無(wú)鉛焊料的開發(fā)做出貢獻(xiàn)。

3、 基于Flip Chip和BGA器件焊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，研究了Ni/Sn-3.5Ag-3.0Bi/Cu三明治結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)的液態(tài)界面反應(yīng)。在Ni/Sn-3.5Ag-3.0Bi/Cu焊點(diǎn)中，Ni層與焊料的界面形成了(Cu,Ni)6Sn5 IMC，生長(zhǎng)速率為3.80×10-10cm2/s；Cu層與焊料的界面形成了Cu6Sn5，生長(zhǎng)速率為1.44×10-10cm2/St 240℃下液態(tài)焊點(diǎn)中Ni和Cu兩界面間Cu，原子的濃度梯度導(dǎo)致在焊接過程中Cu原子

4、自Cu層向Ni層一側(cè)擴(kuò)散，Cu原子在Sn-3.5Ag-3.0Bi焊點(diǎn)中的擴(kuò)散系數(shù)大約為1.1×10-5cm2/s。定量研究了回流焊接過程中三明治焊點(diǎn)的界面耦合效應(yīng)對(duì)界面IMC形成的影響。 彎曲試驗(yàn)是用來測(cè)試電子產(chǎn)品在使用過程中受到不可避免的彎曲加載時(shí)的焊點(diǎn)可靠性。彎曲試驗(yàn)一般可以分為兩點(diǎn)彎曲、三點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎曲。本文選擇了兩點(diǎn)彎曲和四點(diǎn)彎曲這兩種形式對(duì)Sn-4.0Ag-0.5Cu焊點(diǎn)的彎曲可靠性進(jìn)行測(cè)試。 兩點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中

5、，試樣采用了COB(Chip On Board)封裝形式，使用了自行設(shè)計(jì)制造的兩點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)，通過凸輪尺寸的變化控制彎曲變形量。兩點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)得了焊點(diǎn)在3mm，4mm，5mm位移加載下的疲勞壽命，并與3D有限元模擬結(jié)果相結(jié)合，擬合得出了Sn-4.0Ag-0.5Cu焊點(diǎn)在COB封裝形式下，以焊點(diǎn)電阻上升10％為失效標(biāo)準(zhǔn)的Coffin-Manson半經(jīng)驗(yàn)方程。通過隨后的失效分析可知，在兩點(diǎn)彎曲中，裂紋萌生在器件終端與焊點(diǎn)的邊角結(jié)合面上并向焊

6、點(diǎn)內(nèi)部擴(kuò)展。四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)采用了BGA(Ball Grid Array)封裝形式和MTS四點(diǎn)彎曲測(cè)試機(jī)。按JEDEC標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了試驗(yàn)用PCB。實(shí)驗(yàn)獲得了BGA焊點(diǎn)在頻率為3Hz，彎曲振幅為2mm、2.5mm和3mm下的四點(diǎn)彎曲疲勞壽命結(jié)果。根據(jù)疲勞壽命測(cè)試得到了失效幾率圖，并得到了各個(gè)位移加載下的Weibull分布特征壽命和形狀因子。在隨后的失效分析中，采用了切面分析法和染色法。切面分析表明在四點(diǎn)彎曲循環(huán)加載條件下，焊點(diǎn)內(nèi)部產(chǎn)生的疲勞裂紋是

7、導(dǎo)致焊點(diǎn)失效的主要原因。裂紋萌生于器件與BGA焊球交界面的邊角處，并在焊球內(nèi)部擴(kuò)展。通過染色法獲得了BGA焊點(diǎn)陳列的失效分布圖，表明BGA封裝中邊角處是焊點(diǎn)可靠性最差，最早出現(xiàn)失效的區(qū)域；焊點(diǎn)疲勞裂紋的擴(kuò)展方向是由內(nèi)而外的。 跌落試驗(yàn)用來測(cè)試電子產(chǎn)品使用過程中可能受到?jīng)_擊時(shí)的焊點(diǎn)可靠性。實(shí)驗(yàn)中依然采用了BGA封裝，并遵循JEDEC標(biāo)準(zhǔn)。跌落試驗(yàn)獲得了試樣在1500G，0.5ms沖擊載荷下的失效幾率。失效分析表明在沖擊載荷下BGA