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电子封装中表面贴装焊点的可靠性研究

朱奇农  
【摘要】:本文针对电子封装中表面贴装焊点的可靠性问题,就以下两方 面的内容开展了研究:1.无铅高温焊料(Sn96.5Ag3.5和Sn95Sb5)在 汽车电子中的应用;2.倒装焊复合SnPb 焊点的形态研究及其对焊 点可靠性的影响。主要研究结果如下: 1.研究了两种无铅高温焊料的SMT 焊点在高温时效过程中微结构 和焊点剪切强度的变化。与常用的Sn62Pb36Ag2 焊点对比, Sn96.5Ag3.5和Sn95Sb5焊点在高温时效过程中组织结构更稳 定,界面金属间化合物的生长速率和体焊料的粗化程度均低于 SnPbAg焊点;同时,焊点的剪切强度(尤其是高温剪切强度)较 高,随高温时效时间的增加焊点剪切强度下降的幅度也远小于 SnPbAg焊点。因而更适合在高温器件中应用。 2.用混合掺入共晶SnPb焊膏的方法,研究了Pb杂质对Sn96.5Ag3.5和Sn95Sb5焊点的微结构和剪切强度的影响。发现Pb杂质的引 入将在焊点晶界上形成富铅相,对回流焊接过程中焊点界面金属 间化合物的生长则影响不大。少量的Pb 杂质对焊点室温下的剪 切强度影响不大,但Pb 杂质在焊料晶界处的偏析使焊料本身的 高温强度降低,使高温下的剪切强度下降。 3.按照美国电子工业协会的标准试验方法JESD─22,考察了SnSb 表面贴装焊点在高温时效、热循环和潮热储存过程中的可靠性, 并与SnPbAg焊点进行了对比。结果表明,由于器件端头和PCB 板Cu焊盘上预涂的CnPb焊料的溶入,使SnSb表面贴装焊点的 晶界上存在富铅相,该相随着高温时效时间增加而粗化。SnSb 焊点的剪切强度高于SnPbAg焊点,随高温时效时间增加,焊点 的剪切强度下降,但下降幅度明显小于SnPbAg焊点。热循环次 数小于1000~1500周时,SnSb焊点的剪切强度明显高于SnPbAg 焊点,而随着热循环的继续进行,SnSb焊点中由于Cu、Sn互扩 散速率不同,在solder/Cu 界面因Klrkendall 效应形成的空位在 热应力作用下形核长大为微孔洞,并逐步发展为贯穿孔洞使界面 结合力下降,造成焊点剪切强度的急剧下降。在潮热储存过程中 Snsb焊点的微结构和剪切强度均变化不大,而SnPbAg焊点的组 织有一定的粗化,剪切强度随潮热储存时间的增加有所下降。 4 建立了倒装焊中复合SnPb焊点形态的能量控制方程。应用Surface Evo卜er软件,对含高铅焊料芯片凸点和共晶SnPb焊料形成的复 合焊点的形态进行了有限元模拟,考察了焊盘大小、芯片凸点尺 寸、焊料体积、焊接温度等焊点的设计及工艺参数对焊点形态的 影响。提出了预测复合SnPb焊点间隙的无量纲回归模型。 5 基于单一变量形变阻抗的统一型粘塑性Anand本构方程,描述了 焊料的粘塑性行为。利用SnPb焊料的Anand本构模型,通过把 复合SnPb 焊点的形态与可靠性分析相结合,利用ANSYS 有限 元软件分析了倒装焊中复合SnPb 焊点在热循环过程中的应力应 变关系,发现焊点外侧共晶焊料和基板CU 焊盘界面附近区域的 应力应变最大,是焊点中最薄弱的部位。基于Coffin-Manson 经 验方程,预测了复合焊点的热循环寿命。模拟研究表明·复合SnPb 焊点的间隙和焊点热循环寿命之间有直接的依赖关系,优化焊点 的形态是提高焊点可靠性的重要途径。


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