无铅焊料表面贴装焊点的可靠
发布时间:2008/6/5 0:00:00 访问次数:614
| 由于pb对人体及环境的危害，在不久的将来必将禁止pb在电子工业中的使用。为寻求在电子封装工业中应用广泛的共晶或近共晶snpb钎料的替代品，国际上对无pb钎料进行了广泛研究。其中，共晶snag和共晶snagcu钎料作为潜在的无pb钎料，具有剪切强度、抗蠕变能力、热疲劳寿命好等特点。 在焊接过程中，熔融的钎料与焊接衬底接触时，在界面会形成一层金属间化合物(imc)。其形成不但受回流焊接过程中温度、时间的控制，而且在后期的服役过程中其厚度也会随着时间的延长而增加。研究表明界面上的金属间化合物是影响焊点可靠性的一个关键因素。过厚的金属间化合物层会导致焊点断裂韧性和抗低周疲劳能力下降，从而导致焊点可靠性的下降。由于无铅焊料和传统的snpb焊料的成分不同，因此它和焊接基板如cu、ni和agpd等的反应速率以及反应产物就有可能不同，从而表现出不同的焊点可靠性。 本所全面而系统地研究了sn96.5ag3.5、sn95.5ag3.8cu0.7和sn95sb5等无铅焊料和多种基板及器件所形成表面贴装焊点的可靠性，现就一些研究成果做一简要介绍。 无铅焊料与au/ni/cu焊盘所形成焊点的可靠性 实验选用的表面贴装元件为1206型陶瓷电阻。fr4印刷电路板上的焊盘结构为cu/ni-p/au，其中，ni-p层厚度为5mm，p含量为12at%。所用焊料为以上几种无铅焊料以及62sn36pb2ag。用剪切强度测试方法考察焊点在150℃时效过程中的可靠性。 图1为snag/ni-p/cu焊点的扫描电镜照片。在snag/ni-p界面发现有ni3sn4生成，其厚度随时效时间而增加。snag焊点由sn基体与镶嵌于其中的ag3sn颗粒组成，在界面附近有少量的片状ni3sn4，这是由于在回流过程中溶于焊料中的ni在其后的冷却过程中析出而形成。与snpbag焊点相比，时效后的snag焊点微组织的粗化要轻微得多， ag3sn颗粒的大小几乎不随时效时间变化。 图2为snpbag和snag焊点的剪切强度与时效时间的关系。可见，snpbag焊点的强度随时效时间的延长而下降，经1000h时效后，其强度下降29%。而snag焊点在时效初期，其强度比snpbag焊点高，但250h时效后，焊点强度剧烈下降。时效结束时，其强度已不足原有强度的30%。断口分析表明，snpbag和snag焊点的断裂方式明显不同。对于snpbag焊点，时效前，焊点在焊料内部塑性断裂；随着时效的继续，ni3sn4层厚度增加，裂纹在ni3sn4层内及其与ni-p界面处产生，并使焊点的剪切强度下降。snag焊点在时效的开始阶段断裂方式与snpbag焊点相同，但超过250h时，ni-p层开始从cu基体上脱落，焊点剪切强度大幅度下降。 在回流及时效过程中，焊料与ni-p层间会发生互扩散，在界面形成金属间化合物。ni-p与cu基体之间的结合强度主要是通过ni-p在化学镀过程中填充cu表面的微小凹坑互相咬合和通过原子间作用力而得到的。在400℃以下， ni-p与cu之间的互扩散不会影响界面结合强度。本试验中，cu/ni-p层状结构在回流焊接及时效处理过程中所承受的温度均低于300℃，所以热处理本身不会对ni-p/cu的结合强度产生很大影响。焊料和ni-p中的互扩散组元分别为sn和ni。电子探针测试表明，界面上的ni3sn4层中探测不到p，即p只存在于剩余的ni-p层中。p被排斥出互扩散层是由于其在ni-sn金属间化合物中的溶解度很小所致，而这将导致剩余ni-p层中p含量上升。图3为snpbag和snag焊点中剩余ni-p层中心部位的p含量的电子探针测定结果。从中可见，未经时效处理的snag焊点中ni-p层p含量就已较高，在时效过程中又以较高的速率上升，直至约250h后达到饱和。显然，回流过程中snag与ni-p反应较快是时效前ni-p层p较高的原因。而在其后的时效过程中，虽然snpbag和snag与ni-p的反应速率基本一致，但由于此时snag焊点中剩余ni-p层比snpbag焊点中的薄，等厚度ni-p的消耗仍然会导致snag焊点中ni-p层p含量以较快的速率上升。ni-p层p含量的快速积累同时意味着ni的快速消耗，即剩余ni-p中的ni向snag焊料一侧扩散，最终会导致cu/ni-p界面上有较多的kirkendall孔洞的生成，使cu/ni-p结合强度下降。snpbag与ni-p的反应较慢，对ni-p/cu的结合强度的影响则较小。 snagcu以及snsb与snag焊点的情况相似，时效过程中都发现ni-p层从cu上
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