無鉛焊料表面貼裝焊點的可靠
發(fā)布時間:2008/6/5 0:00:00 訪問次數(shù):615
| 由于pb對人體及環(huán)境的危害，在不久的將來必將禁止pb在電子工業(yè)中的使用。為尋求在電子封裝工業(yè)中應(yīng)用廣泛的共晶或近共晶snpb釬料的替代品，國際上對無pb釬料進行了廣泛研究。其中，共晶snag和共晶snagcu釬料作為潛在的無pb釬料，具有剪切強度、抗蠕變能力、熱疲勞壽命好等特點。 在焊接過程中，熔融的釬料與焊接襯底接觸時，在界面會形成一層金屬間化合物(imc)。其形成不但受回流焊接過程中溫度、時間的控制，而且在后期的服役過程中其厚度也會隨著時間的延長而增加。研究表明界面上的金屬間化合物是影響焊點可靠性的一個關(guān)鍵因素。過厚的金屬間化合物層會導(dǎo)致焊點斷裂韌性和抗低周疲勞能力下降，從而導(dǎo)致焊點可靠性的下降。由于無鉛焊料和傳統(tǒng)的snpb焊料的成分不同，因此它和焊接基板如cu、ni和agpd等的反應(yīng)速率以及反應(yīng)產(chǎn)物就有可能不同，從而表現(xiàn)出不同的焊點可靠性。 本所全面而系統(tǒng)地研究了sn96.5ag3.5、sn95.5ag3.8cu0.7和sn95sb5等無鉛焊料和多種基板及器件所形成表面貼裝焊點的可靠性，現(xiàn)就一些研究成果做一簡要介紹。 無鉛焊料與au/ni/cu焊盤所形成焊點的可靠性 實驗選用的表面貼裝元件為1206型陶瓷電阻。fr4印刷電路板上的焊盤結(jié)構(gòu)為cu/ni-p/au，其中，ni-p層厚度為5mm，p含量為12at%。所用焊料為以上幾種無鉛焊料以及62sn36pb2ag。用剪切強度測試方法考察焊點在150℃時效過程中的可靠性。 圖1為snag/ni-p/cu焊點的掃描電鏡照片。在snag/ni-p界面發(fā)現(xiàn)有ni3sn4生成，其厚度隨時效時間而增加。snag焊點由sn基體與鑲嵌于其中的ag3sn顆粒組成，在界面附近有少量的片狀ni3sn4，這是由于在回流過程中溶于焊料中的ni在其后的冷卻過程中析出而形成。與snpbag焊點相比，時效后的snag焊點微組織的粗化要輕微得多， ag3sn顆粒的大小幾乎不隨時效時間變化。 圖2為snpbag和snag焊點的剪切強度與時效時間的關(guān)系�？梢姡瑂npbag焊點的強度隨時效時間的延長而下降，經(jīng)1000h時效后，其強度下降29%。而snag焊點在時效初期，其強度比snpbag焊點高，但250h時效后，焊點強度劇烈下降。時效結(jié)束時，其強度已不足原有強度的30%。斷口分析表明，snpbag和snag焊點的斷裂方式明顯不同。對于snpbag焊點，時效前，焊點在焊料內(nèi)部塑性斷裂；隨著時效的繼續(xù)，ni3sn4層厚度增加，裂紋在ni3sn4層內(nèi)及其與ni-p界面處產(chǎn)生，并使焊點的剪切強度下降。snag焊點在時效的開始階段斷裂方式與snpbag焊點相同，但超過250h時，ni-p層開始從cu基體上脫落，焊點剪切強度大幅度下降。 在回流及時效過程中，焊料與ni-p層間會發(fā)生互擴散，在界面形成金屬間化合物。ni-p與cu基體之間的結(jié)合強度主要是通過ni-p在化學(xué)鍍過程中填充cu表面的微小凹坑互相咬合和通過原子間作用力而得到的。在400℃以下， ni-p與cu之間的互擴散不會影響界面結(jié)合強度。本試驗中，cu/ni-p層狀結(jié)構(gòu)在回流焊接及時效處理過程中所承受的溫度均低于300℃，所以熱處理本身不會對ni-p/cu的結(jié)合強度產(chǎn)生很大影響。焊料和ni-p中的互擴散組元分別為sn和ni。電子探針測試表明，界面上的ni3sn4層中探測不到p，即p只存在于剩余的ni-p層中。p被排斥出互擴散層是由于其在ni-sn金屬間化合物中的溶解度很小所致，而這將導(dǎo)致剩余ni-p層中p含量上升。圖3為snpbag和snag焊點中剩余ni-p層中心部位的p含量的電子探針測定結(jié)果。從中可見，未經(jīng)時效處理的snag焊點中ni-p層p含量就已較高，在時效過程中又以較高的速率上升，直至約250h后達到飽和。顯然，回流過程中snag與ni-p反應(yīng)較快是時效前ni-p層p較高的原因。而在其后的時效過程中，雖然snpbag和snag與ni-p的反應(yīng)速率基本一致，但由于此時snag焊點中剩余ni-p層比snpbag焊點中的薄，等厚度ni-p的消耗仍然會導(dǎo)致snag焊點中ni-p層p含量以較快的速率上升。ni-p層p含量的快速積累同時意味著ni的快速消耗，即剩余ni-p中的ni向snag焊料一側(cè)擴散，最終會導(dǎo)致cu/ni-p界面上有較多的kirkendall孔洞的生成，使cu/ni-p結(jié)合強度下降。snpbag與ni-p的反應(yīng)較慢，對ni-p/cu的結(jié)合強度的影響則較小。 snagcu以及snsb與snag焊點的情況相似，時效過程中都發(fā)現(xiàn)ni-p層從cu上
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