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电子封装中无铅焊点的界面演化和可靠性研究

孙鹏  
【摘要】: 随着欧盟RoHS指令案和我国《电子信息产品污染防治管理办法》的实施,电子产品的无铅化进程已全面展开。和传统的Sn-Pb焊料体系相比,尽管对无铅焊料合金、焊接和使用过程中焊点的界面反应及其可靠性的认识已取得较大进展,但对焊点界面的演化行为和可靠性尚缺乏系统、深入的研究,因此对无铅焊点的界面组织与焊料成分、界面耦合效应、温度循环可靠性以及低周疲劳的研究,将促进我国电子封装的无铅化进程。本文通过对Sn-Ag基、Sn-Zn基和自主研发的Sn-0.4Co-0.7Cu等多种无铅焊点的研究,取得如下成果: 共晶Sn-3.5Ag和Sn-4.0Ag-0.5Cu与化学镀Ni(P)浸金镀层(ENIG)间的界面反应研究表明,Sn-3.5Ag焊点的界面产物为Ni_3Sn_4,Sn-4.0Ag-0.5Cu焊点中的为(Ni,Cu)_3Sn_4和(Cu,Ni)_6Sn_5两种三元金属间化合物(IMC):时效处理后Sn-3.5Ag对Ni(P)镀层的消耗较大,形成了较明显的富磷层,并可见“游离”Ni(P)层的Ni_3Sn_4 IMC颗粒,而Sn-4.0Ag-0.5Cu焊料对Ni(P)镀层的消耗较少,三元IMC和Ni(P)层结合良好。 Sn-0.4Co-0.7Cu和ENIG镀层的回流焊界面反应与Sn-4.0Ag-0.5Cu和Sn-0.7Cu的比较研究显示,Sn-0.4Co-0.7Cu焊点的母相中生成了两种亚稳态的三元块状大颗粒的(Co,Cu)Sn_2和类似于Sn-0.7Cu焊点母相中Cu_6Sn_5的、颗粒尺寸较小的(Cu,Co)_6Sn_5 IMC;三种焊料的界面产物均为(Cu,Ni)_6Sn_5,其IMC层的厚度差别不大。 基于Flip Chip和BGA器件焊点结构,研究了Ni/Sn-3.5Ag-3.0Bi/Cu和Ni/Sn-8.0Zn-3.0Bi/Cu三明治结构焊点的液态界面反应。在Ni/Sn-3.5Ag-3.0Bi/Cu焊点中,Ni层与焊料的界面形成了(Cu,Ni)_6Sn_5 IMC,生长速率为3.80×10~(-10)cm~2/s:在Ni/Sn-8.0Zn-3.0Bi/Cu焊点中,焊料与Ni层的界面生成了由Sn、Ni、Cu、Zn四种元素组成的、难以确定结构的IMC,其生长速率为2.93×10~(-12)cm~2/s;两种焊点中焊料和Cu层的界面产物分别为Cu_6Sn_5和Zn_5Cu_8,生长速率分别为1.44×10~(-10)cm~2/s和1.36×10~(-10)cm~2/s;240℃下液态焊点中Ni和Cu两界面间Cu原子的浓度梯度导致在焊接过程中Cu原子自Cu层向Ni层一侧扩散,Cu原子在Sn-3.5Ag-3.0Bi焊点中的扩散系数大约为1.1×10~(-5)cm~2/s。定量研究了回流焊接过程中三明治焊点的界面耦合效应对界面IMC形成的影响。 Sn-3.8Ag-0.7Cu焊膏组装的无铅塑封BGA器件的温度循环可靠性研究表明,无铅塑封BGA器件的焊点失效机理为热机械循环导致的焊点疲劳失效,失效裂纹主要集中在器件一侧的焊点内;经历-55℃~100℃温度循环的塑封BGA焊点Weibull特征寿命为5415周;0℃~100℃温度循环下的焊点Weibull特征寿命为14094周,超过预期。界面(Cu,Ni)_6Sn_5 IMC的生长受扩散机制控制,-55℃~100℃温度循环试验中塑封BGA器件Sn-Ag-Cu焊点和印刷电路板Ni(P)镀层一侧的界面IMC的生长速率为3.43×10~(-15)cm~2/s;0℃~100℃测试条件下的生长速率为2.30×10~(-16)cm~2/s; 研究了Sn-8.0Zn-3.0Bi焊点在位移加载条件下的等温低周疲劳行为并藉FEM分析了焊点中的应力应变状态。在±40μm位移加载条件下的Sn-8.0Zn-3.0Bi焊点的低周疲劳寿命略高于Sn-37Pb焊点,在±60μm位移加载条件下的寿命反而低于Sn-37Pb;疲劳裂纹主要在焊点与界面连接的角部起裂,失效模式其主要集中于焊点中部直径较小区域的贯穿型和沿焊点界面的扩展型裂纹。基于3D FEM的动态硬化模型,推导获得了单剪切结构Sn-8.0Zn-3.0Bi焊点的Coffin-Manson方程,N_f=0.0294(△γ)~(-2.833),模拟结果与实验结果吻合。


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