无铅焊点失效模式及可靠性影响因素研究

【摘要】传统的铅锡焊料中，铅及其化合物会给人类健康及环境带来严重危害，因此无铅焊料的研究与应用成为近年来的热点问题。由于焊料从有铅向无铅的转变，同时工艺参数随之调整，给焊点的可靠性带来了不可忽视的影响。本文从无铅焊点的可靠性出发，分析了焊点的几种主要失效模式，并从设计、焊料的选择以及工艺参数等方面分析了影响无铅焊点可靠性的因素，将无铅焊点所存在的新的可靠新问题进行了归纳与讨论。

【关键词】无铅焊点；失效模式；可靠性

1.前言

传统的铅锡焊料在电子工业中广泛使用了十几年，业界对其物理冶金性能、力学性能、制造工艺及对焊点可靠性的影响已进行了长期研究，积累了相对丰富的经验[1]。由于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的危害[2]，世界各国如欧盟、美国和日本等纷纷立法禁止或限制铅的工业应用，因此无铅焊料的研发非常重要。目前，随着微电子器件中互连密度的提高，焊点自身的尺寸以及相互之间的间距都在急剧缩减，导致焊点有效互连面积以及机械支撑与电气互连通路尺寸都极其有限，产品可靠性的问题也日益突出，无铅焊点的可靠性也越来越受到重视。本文叙述了无铅焊点的几种主要失效模式以及影响焊点可靠性的主要因素。

2.焊点的失效模式

要提高焊点的可靠性，对失效模式的研究是必不可少的。只有对失效产品进行分析，找出失效模式，分析其失效原因，这样才能更好的纠正产品在焊接存在的问题，并进一步改进设计工艺、结构参数等；其次焊点的失效模式对于循环寿命的预测也非常重要，是建立数学模型的基础[3]。下面对经常出现的三种失效模式进行简单的阐述。

2.1 焊接工艺引起的失效

焊接工艺引起的失效主要是由于焊接中的一些不利因素及不适当清洗（如过度的超声波清洗）导致的。例如SMT（Surface Mounted Technology，表面组装技术）焊点的失效主要来自于生产组装过程和服役过程两方面。在生产组装过程中常出现的虚焊、焊锡短路及曼哈顿现象等焊接故障[4]，是由于设备条件的限制和人为误差造成的。另一方面，器件在使用过程中不可避免的会受到冲击、振动等，这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-机械应力。当温差过大或者超过了元器件的最大限度时，就会导致元件的陶瓷与玻璃部分产生应力裂纹。应力裂纹会影响到焊点的长期可靠性。

2.2 时效引起的失效

以Sn-3.5Ag-0.7Cu为例，当熔融的SnAgCu焊料与洁净的Cu基板接触时，在界面会形成IMC（金属间化合物）。在时效过程中，IMC层随着温度和时间的变化逐渐变厚；并且在失效过程中，焊点的微结构会粗化，界面处的IMC也会不断生长（见图1、2）[5]。

IMC层虽然是焊接良好的一个标志，但随着厚度的增加，也会引起焊点中的微裂纹萌生。当其厚度超过某一临界值时，就会表现出脆性，使焊点在服役过程中会经历周期性的应变而导致失效。研究表明软钎料合金中加人微量稀土元素镧，会适当减少IMC层厚度，使焊点的热疲劳寿命提高2倍，显著改善SMT焊点的可靠性。

2.3 热循环引起的失效

电子器件在使用过程中，因工作状态的不同、环境温度的周期性变化，使焊点经历一次次的温度循环。在不断的升降温过程中，由于各种材料的热膨胀系数(CTE，Coeffieient of Themral Expnasion)不同（见表1），使得焊料、基板承受不同的应力应变[6]，导致器件变形,如图3所示。

焊点在温度循环过程中反复的应力应变将导致焊点中裂纹的萌生和扩展，最终导致焊点的失效。

3.影响无铅焊点可靠性的因素

无铅化焊接由于焊料的改变和工艺参数的调整，必不可少地会影响到焊点可靠性。与传统的Sn-Pb焊料（熔点183℃）相比，无铅焊料的熔点较高，一般都在217℃左右，这就会导致焊料易氧化及IMC层生长较快等问题。其次由于焊料不含Pb，弹性就不如有铅焊料好，比较脆，另外浸润性较差，容易影响到焊点的自校准能力，以及拉伸强度、剪切强度等。

鉴于无铅化焊点所存在的诸多问题，我们有必要对影响其可靠性的因素进行分析。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]、电迁移[7]、焊料与基体界面金属间化合物形成裂纹[7、9]、Sn晶须生长引起短路[9]、电腐蚀和化学腐蚀[9]问题等。下面我们主要从设计、材料与工艺三方面来进行介绍。

3.1 设计问题

如焊盘的设计不合理、双波峰的距离设计的太近造成板面温度增高、相邻高大元件在回流焊时产生“高楼效应”、形成热风冲击等。

3.2 焊料的选择

目前，大多焊料采用银锡铜合金系列，液相温度是217℃-221℃，这就要求回流焊有较高的峰值，其必定会导致金属间化合物生长迅速的问题。过厚的IMC层会导致焊点产生裂纹，韧性和抗周期疲劳性下降，从而导致焊点的可靠性降低或是失效。

另外，由于无铅与有铅焊料的成分不同，在焊接时它们和焊盘等的反应速率及反应物也会不同，以及焊料和助焊剂的兼容性这些都会对焊点的可靠性产生影响[10]。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加快了焊料周期性的蠕变-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。

3.3 工艺问题

在制作工艺过程中，不同成分的合金熔点相差不大，基本上在217℃

-221℃，而铅锡合金（63%的锡和37%的铅）的液相温度是183℃，两者相差34℃。因此，为了确保再流焊过程不低于1.33的Cpk，严控检测峰值温度、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等关键变量是必须的，另外，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。因此在使用含Bi无铅焊料时应注意器件涂层是否为Sn-Pb涂层[11]。

另外，无铅焊接工艺中出现的空洞也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。

4.结束语

焊点在微电子封装产业中起着举足轻重的作用，焊点的可靠性直接关系到产品的可靠性，积极优化焊接工艺、找出失效模式、分析失效原因对提高产品的质量与可靠性有着重要的意义。现阶段我国对无铅焊料的研究全面落后于欧美和日

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本；因此我国的电子制造业必须密切关注国际无铅化的研究进展，加大力度投入到无铅化产业中，提高产品的核心竞争力[12]，尽量缩小与欧美和日本的差距，以增强我国电子产品的国际竞争力。

参考文献

[1]夏阳华.无铅电子封装中的界面反应及焊点可靠性:[D].上海:上海微系统与信息技术研究所,2007

[2]卢基存,宗祥福.有机印制板上倒装芯片的可靠性研究[J].固体电子研究与进展,1999,19(1)

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[10]黄惠珍,魏秀琴,周浪.无铅焊料及其可靠性的研究进展[J].电子元件与材料,2003(4)

[11]Ning-Cheng Lee.Lead-free soldering of chip-scale package[J].Chip Scale Review,2000(3-4):42

[12]顾永莲,杨邦朝.电子焊料的无铅化及可靠性问题[J].功能材料,2005,36(4)

作者简介：黄蓉，女，硕士，主要研究方向：质量控制与可靠性。