Sn-Ag-Cu無鉛焊料的可靠性研究
作者：韓永典、荊洪陽等 來源：電子與封裝
1 引言
電子產品在我們的生活中無處不在。在這些產品中，電子封裝技術起著舉足輕重的作用。隨著IC制造業的迅速發展，電子封裝產業面臨著越來越大的挑戰[1]。隨著對高性能、大功率、小型化在電子產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品設計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的熱-機械應力作用，極易發生熱疲勞和蠕變。因此如何評測它的可靠性和壽命就變得非常迫切。
2 無鉛焊料的發展
由于價格低廉，具有良好的導電性，優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優選焊接連接材料。近年來，無鉛焊料的研究和開發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過早失效；(3)電子產品應用領域的不斷擴大，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，不會對人和環境產生不利影響。
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缺點[6]。
3 Sn-Ag-Cu合金的主要性能
到日前為止已出現r許多種無鉗焊料系列。但是，國際上一致公認的*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Cu的溶解。Sn-Ag-cu的共晶成分還沒有**地確定下來。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的纖維狀組織，Cu6Sn5的微細析出品粒混在其中。
根據相關文獻[8]，Sn-Ag-Cu合金三元共晶點的成分為95．6Sn-3．5Ag-0．9cu(±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。
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，當環境溫度變化時由于芯片與基板、元器件與印刷電路板(PCB)材料熱膨脹系數的差異，在焊點內部產生熱應力而造成焊點的疲勞損傷；另一方面，相對于服役的環境溫度，焊料自身熔點較低，隨著時間的延續，產生明顯的黏性行為而導致焊點的蠕變損傷。可靠性問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。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。
4．1 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，其微結構會粗化，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境溫度的周期性變化，會使焊點經受溫度循環過程。封裝材料間的熱膨脹失配，將使焊點中產生應力和應變，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*終導致焊點失效。蠕變是一種熱激發過程，在許多條件下均能發生，由于室溫(T=293K)已高于大部分無鉛焊料熔點的一半(0．5T_)值。因此蠕變是無鉛焊料的主要變形方式之一。
4．2 可靠性的主要研究方法
對無鉛焊點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品可靠性認證的有關數據。加速壽命實驗中的載荷要比實際應用中的載荷強度更大，在較短的時間內就可以觀察到失效模式，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，材料和結構的動態響應，同時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/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、熱循環和機械疲勞三種。循環試驗適用于較大熱膨脹系數(CTE)失配的部件。由于在加速實驗中*高和*低溫度下保溫時間要比在現場工作時間大大縮短，因而應力松弛不完全，所以現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蠕變速率與溫度及應力大小的關系，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)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試驗，設定*高溫度、*低溫度、循環周期、高低溫的保溫時間，經過一定的循環周期后將試樣取出進行顯微剖樣及剪切強度測試；
(4)在不同熱循環次數和等溫時效時間下，比較焊點顯微組織和剪切強度的變化，找出其中的規律。
4．2．2 數值模擬法
眾所周知，由于Sn-Ag-Cu焊點向小尺寸、細節距方向發展，這給試驗帶來了更大的困難。為了克服上述困難，通常采用數值模擬法計算可靠性的數據。計算不同場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，求解焊點內部循環非線性應變范圍，代入Manson-coffin方程，預測焊點壽命；
(2)根據焊點的*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，評價不同形態焊點的可靠性，指導焊點的優化設計。
有限元模擬包括以下幾個階段：首先建立本構方程或理論方程；然后采用適當的假設，編寫有限元程序；進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，循環次數；*后是試驗驗證。
在多數情況下試驗法和數值模擬法是同時使用的。這樣二者相輔相成，能更好地研究焊點的可靠性。
5 展望
電子封裝件無鉛化已經是大勢所趨。Sn-Ag-Cu焊料以其獨特的優越性逐漸成為SnPb焊料替代品的優選。隨著對Sn-Ag-Cu可靠性研究的不斷深入，這種焊料將會得到更廣泛的應用，發揮更大的潛能。