焊点失效惹众怒？其实无铅器件比你想象中“坚强”

2017-07-24 摘自可靠性技术交流

1 前言 

     随着电子信息产业的日新月异，微细间距器件发展起来，组装密度越来越高，诞生了新型SMT、MCM技术，微电子器件中的焊点也越来越小，而其所承载的力学、电学和热力学负荷却越来越重，对可靠性要求日益提高。电子封装中广泛采用的SMT封装技术及新型的芯片尺寸封装(CSP)、焊球阵列(BGA)等封装技术均要求通过焊点直接实现异材间电气及刚性机械连接(主要承受剪切应变)，它的质量与可靠性决定了电子产品的质量。一个焊点的失效就有可能造成器件整体的失效，因此如何保证焊点的质量是一个重要问题。传统铅锡焊料含铅，而铅及铅化合物属剧毒物质，长期使用含铅焊料会给人类健康和生活环境带来严重危害。目前电子行业对无铅软钎焊的需求越来越迫切，已经对整个行业形成巨大冲击。无铅焊料已经开始逐步取代有铅焊料，但无铅化技术由于焊料的差异和焊接工艺参数的调整，必不可少地会给焊点可靠性带来新的问题。因此，无铅焊点的可靠性也越来越受到重视。本文叙述焊点的失效模式以及影响无铅焊点可靠性的因素，同时对无铅焊点可靠性测试方法等方面做了介绍。 

 2 焊点的失效模式 

      焊点的可靠性实验工作，包括可靠性实验及分析，其目的一方面是评价、鉴定集成电路器件的可靠性水平，为整机可靠性设计提供参数；另一方面，就是要提高焊点的可靠性。这就要求对失效产品作必要的分析，找出失效模式，分析失效原因，其目的是为了纠正和改进设计工艺、结构参数、焊接工艺等，焊点失效模式对于循环寿命的预测非常重要，是建立其数学模型的基础。下面介绍3种失效模式[2]。 
2．1 焊接工艺引起的焊点失效 
      焊接工艺中的一些不利因素及随后进行的不适当的清洗工艺可能会导致焊点失效。SMT焊点可靠性问题主要来自于生产组装过程和服役过程。在生产组装过程中，由于焊前准备、焊接过程及焊后检测等设备条件的限制，以及焊接规范选择的人为误差，常造成焊接故障，如虚焊、焊锡短路及曼哈顿现象等。另一方面，在使用过程中，由于不可避免的冲击、振动等也会造成焊点的机械损伤，如波峰焊过程中快速的冷热变化对元件造成暂时的温度差，使元件承受热一机械应力。当温差过大时，导致元件的陶瓷与玻璃部分产生应力裂纹。应力裂纹是影响焊点长期可靠性的不利因素。同时在厚、薄膜混合电路(包括片式电容)组装过程中，常常有蚀金、蚀银的现象。这是因为焊料中的锡与镀金或镀银引脚中的金、银形成化合物，从而导致焊点的可靠性降低。此外，过度的超声波清洗也可能对焊点的可靠性有影响。 
2．2 时效引起的失效 
      当熔融的焊料与洁净的基板相接触时，在界面会形成金属间化合物(intermetallic Compounds)。在时效过程中，焊点的微结构会粗化，界面处的IMC亦会不断生长。焊点的失效部分依赖于IMC层的生长动力学。界面处的金属间化合物虽然是焊接良好的一个标志，但随着服役过程中其厚度的增加，会引起焊点中微裂纹萌生乃至断裂。当其厚度超过某一临界值时，金属间化合物会表现出脆性，而由于组成焊点的多种材料间的热膨胀失配，使焊点在服役过程中会经历周期性的应变，形变量足够大时会导致失效。研究表明Sn60／Pb40软钎料合金中加入微量稀土元素镧，会减少金属化合物的厚度，进而使焊点的热疲劳寿命提高2倍，显著改善表面组装焊点的可靠性。 
2．3 热循环引起的失效 
      电子器件在服役条件下，电路的周期性通断和环境温度的周期性变化会使焊点经受温度循环过程。封装材料问的热膨胀失配，将在焊点中产生应力和应变。如在SMT中芯片载体材料A1203陶瓷的热膨胀系数(CTE)为6×10-6℃-1，而环氧树脂／玻璃纤维基板的CTE则为15×10-6℃-1。温度变化时，焊点将承受一定的应力和应变。一般焊点所承受应变为1％～20％。在THT工艺中，器件的柔性引脚会吸收由于热失配而引起的大部分应变，焊点真正承受的应变是很小的。而在SMT中，应变基本由焊点来承受，从而会导致焊点中裂纹的萌生和扩展，最终失效。由于焊点是因热膨胀系数不匹配产生热应力而开裂并导致失效，所以提高无引线元件与基板材料的热匹配最容易成为人们首先关注的问题。目前已研究开发出42％Ni-Fe合金(CTE=5×10-6℃-1)、Cu-36％Ni-Fe合金(铟瓦合金)、Cu-Mo-Cu及石英纤维复合材料等新材料，其中Cu-铟瓦-Cu复合基板改变其中各成份比例，用此基板铅焊的焊件经1500次热冲击实验，无焊点失效。另外还开发了在印制板上复合一层弹性较大的应力吸收层，用以吸收由于热失配引起的应力等方面的技术，也取得了比较好的效果。但新型基板材料的工艺复杂，价格相对昂贵，其实用性受到一定限制[3]。 
3 影响无铅焊点可靠性的因素 
3．1 对无铅焊料的性能要求 
      传统锡铅焊料因具有价廉、易焊接、成形美观以及物理、力学和冶金性能好等特点而作为连接元器件和印刷电路板的标准材料，并形成了一整套的使用工艺，长期以来深受电子厂商的青睐。但由于铅及铅化合物对人类健康和生活环境的不利影响，限制和禁止使用含铅焊料的呼声日益高涨，各国政府纷纷制定相应的法规约束电子产品的使用材料和废弃物的处理，电子封装的环境友好化要求已成为全球趋势。因此目前电子行业全面面临无铅化的要求，已经对整个行业形成巨大冲击。近几年无铅焊料迅速发展起来，最常用的是Sn-Ag-Cu系列。
      微电子领域使用的焊料有着很严格的性能要求，无铅焊料也不例外，不仅包括电学和力学性能，还必须具有理想的熔融温度。从制造工艺和可靠性两方面考虑，表1列出了焊料合金的一些重要性能[4,5]。 

3．2 影响无铅焊点可靠性的因素 
      与传统的含铅工艺相比，无铅化焊接由于焊料的差异和工艺参数的调整,必不可少地会给焊点可靠性带来一定的影响。首先是目前无铅焊料的熔点较高，一般都在217℃左右，而传统的Sn-Pb共晶焊料熔点是183℃，温度曲线的提升随之会带来焊料易氧化及金属间化合物生长迅速等问题。其次是由于焊料不含Pb，焊料的润湿性能较差，容易导致产品焊点的自校准能力、拉伸强度、剪切强度等不能满足要求。以某厂商为例，原含铅工艺焊点不合格率一般平均在50×10-6(0．05％)左右，而无铅工艺由于焊料润湿性差，不合格率上升至200×10-6～500×10-6(0．2～0．5％)[6]。 
      鉴于无铅化焊点可靠性方面目前仍存在许多问题，有必要对此进行分析。无铅焊点的可靠性问题主要来源于：焊点的剪切疲劳与蠕变裂纹[7,8,9]、电迁移[8，10]、焊料与基体界面金属间化合物形成裂纹[7,8,11,12]、Sn晶须生长引起短路[7，8],电腐蚀和化学腐蚀问题r¨等。以下我们主要从设计、材料与工艺角度介绍影响无铅焊点可靠性的一些因素。 
       (1)设计：PCB的合理设计问题。如焊盘设计不合理、发热量大的元件密集分布、相邻高大元件在回流焊时产生“高楼效应”、形成热风冲击等。  
       (2)材料：焊料的选择极为重要。目前，大多采用锡银铜合金系列，液相温度是217℃-221℃，这就要求再流焊具有较高的峰值温度，如前所述会带来焊料及导体材料(如Cu箔)易高温氧化、金属间化合物生长迅速等问题。因为在焊接过程中，熔融的钎料与焊接衬底接触时，由于高温在界面会形成一层金属间化合物(IMc)。其形成不但受回流焊温度、时间的控制，而且在后期使用过程中其厚度会随时间增加。研究表明界面上的金属间化合物是影响焊点可靠性的一个关键因素。过厚的金属间化合物层的存在会导致焊点断裂、韧性和抗低周疲劳能力下降，从而导致焊点的可靠性降低。以当前最为成熟的Sn-Ag系无铅焊料为例，由于熔点更高，相应的再流焊温度也将提高，加之无铅焊料中Sn含量都比Sn-Pb焊料高，这两者都增大了焊点和基体间界面上形成金属问化合物的速率，导致焊点提前失效[13]。另外，由于无铅焊料和传统Sn-Pb焊料成分不同，因而它们和焊盘材料，如Cu、Ni、AgPd等的反应速率及反应产物可能不同，焊点也会表现出不同的可靠性。同时焊料和助焊剂的兼容性也会对焊点的可靠性产生非常大的影响。有研究表明：焊料和助焊剂各成分之间不兼容会导致附着力减小。此外，由于热膨胀系数不匹配，又会加快焊料周期性的疲劳失效。因此要特别注意选择兼容性优良的焊料和助焊剂，才能耐受住无铅再流焊时的高温冲击。 
      另外，各互连焊接部件均来自于不同生产厂商，因而部件质量难免参差不齐，如器件引脚可焊性不良等，对无铅工艺焊点可靠性有较大影响。比较典型的例子是．PCB板焊盘质量问题。由于以前的热风整平(HASL)焊盘涂层工艺存在一些缺点，因此目前OEM厂商应用较广泛的包括有机可焊性保护层(OSP)和Ni／Au涂层工艺。其中Ni／Au涂层又有浸金法和镀金法两种，浸金法由于工艺简单而较受国内厂商青睐，但此法难于控制Au层厚度，常会出现Au层厚度不足导致其下的Ni层氧化，影响回流焊接时焊点的性能。对于此种情况，厂商一般可用俄歇电子能谱仪(AES)精确测量PCB焊盘的Au层厚度是否符合规格。 
      (3)工艺：在SMT、MCM制作工艺过程中，通常会遇到诸如焊料储存温度不当、焊盘焊料不足、再流焊温度曲线设置不当等问题。就无铅焊接而言，再流焊工艺温度曲线的优化至为重要，优良的工艺既可保证形成高可靠性的焊接，又保持尽可能低的峰值温度。因此，目前除日本以外，其他国家的消费电子公司似乎都接受了锡银铜合金系列，合金中银所占比例为3．0％～4.7％，铜为0．5％-3.0％。不同成分的合金熔点相差不大，基本上在217℃-221℃之间，而锡铅合金(63％的锡和37％的铅)的液相温度是183℃，两者相差34℃。因此严密监控再流工艺中的关键变量，如峰值温度、高于液相温度的时间、浸渍时间、浸渍温度以及由于选择焊剂和焊膏而引起的斜坡速率，以确保再流焊过程保持1．33或高于1．33的Cpk。另外需注意的一点是含Bi无铅焊料的使用问题。研究发现，含Bi焊料与Sn-Pb涂层的器件接触时，回流焊后会生成Sn-Pb-Bi共晶合金，熔点只有99．6℃，极易导致焊接部位开裂的发生。因此对含Bi无铅焊料的使用需注意器件涂层是否为Sn-Pb涂层。 
      另外，关于无铅焊接工艺中出现的空洞问题。空洞是互连焊点在回流焊接中常见的一种缺陷，在BGA／CSP等器件上表现得尤为突出。由于空洞的大小、位置、所占比例以及测量方面的差异性较大，至今对空洞水平的安全性评估仍未统一。有经验的工程师习惯将无较大空洞(小尺寸的空洞体积之和不超过焊点体积的0．5％)、空洞比例低于15％～20％，且不集中于连接处的空洞归于回流焊接中常见的一种缺陷，并认为是可以接受的；另一方面，按照Motorola的研究结果认为直径3μm～5μm的空洞事实上能提高焊点的长期可靠性，因为它在一定程度上可以阻止焊点中裂纹的扩展。但一般认为大的空洞，或空洞面积达到一定比例后会给可靠性带来不利影响。 
      因此，在无铅焊接中，空洞仍然是一个必须关注的问题。在熔融状态下，Sn／Ag／Cu合金比Sn-Pb合金的表面张力更大，表面张力的增加势必会使气体在冷却阶段的外溢更加闲难，使得空洞比例增加。这一点在无铅锡膏的研发过程中得到证实，结果显示使用无铅锡膏的焊点中的空洞数量多于使用锡铅锡膏的焊点。大的空洞和一些小的球形空洞是由于助焊剂的挥发造成的，锡膏中助焊剂的配比是影响焊点空洞的最直接因素，因此无铅锡膏仍有很大的改善空间。作为新一代的无铅锡膏产品，Multicore(96SC LF32OAGS88)由于增加了助焊剂在高温的活性，实现了技术上的长足飞跃，使得无铅焊点的空洞水平可降低到7．5％左右。近两年随着材料研究方面的进展，研制的第二代通用型无铅焊膏除了具有更宽的工艺窗口、更容易应用、有更好的外观外，最为重要的是解决了空洞问题。 
4 无铅焊点可靠性测试方法 
      无铅焊点可靠性测试，主要是对电子组装产品进行热负荷试验(温度冲击或温度循环试验)；按照疲劳寿命试验条件对电子器件结合部进行机械应力测试；使用模型进行寿命评估。目前比较著名的模型有低循环疲劳的Coffin-Manson模型，一般在考虑平均温度与频率的影响时使用修正Coffin-Manson模型，而在考虑材料的温度特性及蠕变关系时采用Coffin-Manson模型。 
      无铅焊点可靠性测试方法主要有外观检查、X-ray检查、金相切片分析、强度(抗拉、剪切)、疲劳寿命、高温高湿、跌落实验、随机震动、可靠性检测方法等。 
      外观检查：无铅和有铅焊接的焊点从外表看是有差别的，并影响AOI系统的正确性。无铅焊点的条纹更明显，并且比相应的有铅焊点粗糙，这是从液态到固态的相变造成的。因此这类焊点看起来显得更粗糙、不平整。另外，由于无铅焊料的表面张力较高，不像有铅焊料那么容易流动，形成的圆角形状也不尽相同。因此检测仪器必须做一些参数或程序调整，自动光学检测仪(AOI)制造商已经推出了相应的解决方案，其中包括欧姆龙采用三色光源和不同的照射角度将焊点的三维形状用二维图像表示出来，而安捷伦也在最近推出了采用固态建模(SSM)技术的三维自动光学检测设备等。 
      X-ray检查：无铅焊的球形焊点中虚焊增多。无铅焊的焊接密度较高，可以检测出焊接中出现的裂缝和虚焊。铜、锡和银应属于“高密度”材料，为了进行优良焊接的特性表征、监控组装工艺，以及进行最重要的焊点结构完整性分析，有必要对X射线系统进行重新校准，对检测设备有较高要求。 
      准自动焊点可靠性检测技术是利用光热法逐点检测电路板焊点质量的一种先进技术，具有检测精度高、可靠性好、检测时不须接触或破坏被测焊点等特点。检测时对印制电路板的焊点逐点注入确定的激光能量，同时用红外探测器监测焊点在受到激光照射后产生的热辐射。由于热辐射特性与焊点的质量状况有关，故可据此判定焊点的质量好坏。激光与焊点的对准和注入以及焊点质量差别均由计算机及相应的软件完成。测试装置包括YJLG激光系统、红外探测系统、X-Y扫描工作平台以及由计算机控制的驱动系统、闭路电视监视系统、判读软件等五部分组成。此技术的焊点重缺陷检出率为100％，，其他缺陷检出率远高于人工检测。检测速度满足小批量生产需要，特别适用于可靠性要求高、批量小的产品检测。 
      在无铅工艺焊点可靠性测试中，比较重要的是针对焊点与连接元器件热膨胀系数不同进行的温度相关疲劳测试，包括等温机械疲劳测试、热疲劳测试及耐腐蚀测试等。其中根据测试结果可以确认相同温度下不同无铅材料的抗机械应力能力不同，同时有研究表明不同无铅材料显示出不同的失效机理，失效形态也各不相同。 
      对制造商来说，可靠性属于比较高层次的考虑因素，但优良的制造工艺方面还是最重要的，没有先进的制造工艺就没有较高的可靠性。所以改进材料和工艺是解决采用无铅焊所出现的可靠性和失效缺陷的关键。 
5 结论 
      焊点在微电子封装产业中起着举足轻重的作用，相关设计、工艺均应引起充分重视。积极优化焊接工艺、找出失效模式、分析失效机理、提高产品质量和可靠性水平，对电子封装产业均有重要的意义。 
      无铅焊点由于焊料的差异和焊接工艺参数的调整，必不可少地会给焊点可靠性带来新的问题。我们从设计、材料及工艺角度分析了影响无铅焊点可靠性的因素，如金属间化合物厚度增加、材料的热匹配问题、空洞问题、可靠性测试参数的改变等。 
      无铅化技术已经日趋成熟，但是在无铅化进程中还存在一些悬而未决的问题，如焊点的剪切疲劳、蠕变问题、虚焊现象、焊点热疲劳的主要变形机制、焊点的显微结构对焊点的疲劳行为的影响与作用机制等，都有待进一步研究。

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