電子封裝中無鉛焊點(diǎn)的界面演化和可靠性研究.pdf

1、隨著歐盟RoHS指令案和我國(guó)《電子信息產(chǎn)品污染防治管理辦法》的實(shí)施，電子產(chǎn)品的無鉛化進(jìn)程己全面展開。和傳統(tǒng)的Sn-Pb焊料體系相比，盡管對(duì)無鉛焊料合金、焊接和使用過程中焊點(diǎn)的界面反應(yīng)及其可靠性的認(rèn)識(shí)已取得較大進(jìn)展，但對(duì)焊點(diǎn)界面的演化行為和可靠性尚缺乏系統(tǒng)、深入的研究，因此對(duì)無鉛焊點(diǎn)的界面組織與焊料成分、界面耦合效應(yīng)、溫度循環(huán)可靠性以及低周疲勞的研究，將促進(jìn)我國(guó)電子封裝的無鉛化進(jìn)程。本文通過對(duì)Sn-Ag基、Sn-Zn基和自主研發(fā)的Sn-0

2、.4Co-0.7Cu等多種無鉛焊點(diǎn)的研究，取得如下成果： 共晶Sn-3.5Ag和Sn-4.0Ag-0.5Cu與化學(xué)鍍Ni(P)浸金鍍層(ENIG)間的界面反應(yīng)研究表明，Sn-3.5Ag焊點(diǎn)的界面產(chǎn)物為Ni3Sn4，Sn-4.0Ag-0.5Cu焊點(diǎn)中的為(Ni,Cu)3Sn4和(Cu,Ni)6Sn5兩種三元金屬間化合物(IMC)；時(shí)效處理后Sn-3.5Ag對(duì)Ni(P)鍍層的消耗較大，形成了較明顯的富磷層，并可見“游離”Ni(P)層

3、的Ni3Sn4 IMC顆粒，而Sn-4.0Ag-0.5Cu焊料對(duì)Ni(P)鍍層的消耗較少，三元IMC和Ni(P)層結(jié)合良好。 Sn-0.4Co-0.7Cu和ENIG鍍層的回流焊界面反應(yīng)與Sn-4.0Ag-0.5Cu和Sn-0.7Cu的比較研究顯示，Sn-0.4Co-0.7Cu焊點(diǎn)的母相中生成了兩種亞穩(wěn)態(tài)的三元塊狀大顆粒的(Co,Cu)Sn2和類似于Sn-0.7Cu焊點(diǎn)母相中Cu6Sn5的、顆粒尺寸較小的(Cu,Co)6Sn5 I

4、MC；三種焊料的界面產(chǎn)物均為(Cu,Ni)6Sn5，其IMC層的厚度差別不大。 基于Flip Chip和BGA器件焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)，研究了Ni/Sn-3.5Ag-3.0Bi/Cu和Ni/Sn-8.0Zn-3.0Bi/Cu三明治結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)的液態(tài)界面反應(yīng)。在Ni/Sn-3.5Ag-3.0B9/Cu焊點(diǎn)中，Ni層與焊料的界面形成了(Cu,Ni)6Sn5 IMC，生長(zhǎng)速率為3.80×10-10cm2/s；在Ni/Sn-8.0Zn-3.0Bi/Cu

5、焊點(diǎn)中，焊料與Ni層的界面生成了由Sn、Ni、Cu、Zn四種元素組成的、難以確定結(jié)構(gòu)的IMC，其生長(zhǎng)速率為2.93×10-12cm2/s；兩種焊點(diǎn)中焊料和Cu層的界面產(chǎn)物分別為Cu6Sn5和Zn5Cu8，生長(zhǎng)速率分別為1.44×10-10cm2/S和1.36×10-10cm2/s；240℃下液態(tài)焊點(diǎn)中Ni和Cu兩界面間Cu原子的濃度梯度導(dǎo)致在焊接過程中Cu原子自Cu層向Ni層一側(cè)擴(kuò)散，Cu原子在Sn-3.5Ag-3.0Bi焊點(diǎn)中的擴(kuò)散系

6、數(shù)大約為1.1×10-5cm2/s。定量研究了回流焊接過程中三明治焊點(diǎn)的界面耦合效應(yīng)對(duì)界面IMC形成的影響。 Sn-3.8Ag-0.7Cu焊膏組裝的無鉛塑封BGA器件的溫度循環(huán)可靠性研究表明，無鉛塑封BGA器件的焊點(diǎn)失效機(jī)理為熱機(jī)械循環(huán)導(dǎo)致的焊點(diǎn)疲勞失效，失效裂紋主要集中在器件一側(cè)的焊點(diǎn)內(nèi)；經(jīng)歷-55℃～100℃溫度循環(huán)的塑封BGA焊點(diǎn)Weibull特征壽命為5415周；0℃～100℃溫度循環(huán)下的焊點(diǎn)、Weibull特征壽命為1

7、4094周，超過預(yù)期。界面(Cu，Ni)6Sn5 IMC的生長(zhǎng)受擴(kuò)散機(jī)制控制，-55℃～100℃溫度循環(huán)試驗(yàn)中塑封BGA器件Sn-Ag-Cu焊點(diǎn)和印刷電路板Ni(P)鍍層一側(cè)的界面IMC的生長(zhǎng)速率為3.43×10-15cm2/s；0℃～100℃測(cè)試條件下的生長(zhǎng)速率為2.30×10-16cm2/s; 研究了Sn-8.0Zn-3.0Bi焊點(diǎn)在位移加載條件下的等溫低周疲勞行為并藉FEM分析了焊點(diǎn)中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。在±40μm位移加載條件下的S