隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的日新月異,微細(xì)間距器件發(fā)展起來,組裝密度越來越高,誕生了新型SMT、MCM技術(shù),微電子器件中的焊點也越來越小,而其所承載的力學(xué)、電學(xué)和熱力學(xué)負(fù)荷卻越來越重,對可靠性要求日益提高。電子封裝中廣泛采用的SMT封裝技術(shù)及新型的芯片尺寸封裝(CSP)、焊球陣列(BGA)等封裝技術(shù)均要求通過焊點直接實現(xiàn)異材間電氣及剛性機械連接(主要承受剪切應(yīng)變),它的質(zhì)量與可靠性決定了電子產(chǎn)品的質(zhì)量。
一個焊點的失效就有可能造成器件整體的失效,因此如何保證焊點的質(zhì)量是一個重要問題。傳統(tǒng)鉛錫焊料含鉛,而鉛及鉛化合物屬劇毒物質(zhì),長期使用含鉛焊料會給人類健康和生活環(huán)境帶來嚴(yán)重危害。
目前電子行業(yè)對無鉛軟釬焊的需求越來越迫切,已經(jīng)對整個行業(yè)形成巨大沖擊。無鉛焊料已經(jīng)開始逐步取代有鉛焊料,但無鉛化技術(shù)由于焊料的差異和焊接工藝參數(shù)的調(diào)整,必不可少地會給焊點可靠性帶來新的問題。因此,無鉛焊點的可靠性也越來越受到重視。本文敘述焊點的失效模式以及影響無鉛焊點可靠性的因素,同時對無鉛焊點可靠性測試方法等方面做了介紹。
焊點的失效模式
焊點的可靠性實驗工作,包括可靠性實驗及分析,其目的一方面是評價、鑒定集成電路器件的可靠性水平,為整機可靠性設(shè)計提供參數(shù);另一方面,就是要提高焊點的可靠性。這就要求對失效產(chǎn)品作必要的分析,找出失效模式,分析失效原因,其目的是為了糾正和改進設(shè)計工藝、結(jié)構(gòu)參數(shù)、焊接工藝等,焊點失效模式對于循環(huán)壽命的預(yù)測非常重要,是建立其數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)。下面介紹3種失效模式。
1、焊接工藝引起的焊點失效
焊接工藝中的一些不利因素及隨后進行的不適當(dāng)?shù)那逑垂に嚳赡軙?dǎo)致焊點失效。SMT焊點可靠性問題主要來自于生產(chǎn)組裝過程和服役過程。在生產(chǎn)組裝過程中,由于焊前準(zhǔn)備、焊接過程及焊后檢測等設(shè)備條件的限制,以及焊接規(guī)范選擇的人為誤差,常造成焊接故障,如虛焊、焊錫短路及曼哈頓現(xiàn)象等。
另一方面,在使用過程中,由于不可避免的沖擊、振動等也會造成焊點的機械損傷,如波峰焊過程中快速的冷熱變化對元件造成暫時的溫度差,使元件承受熱一機械應(yīng)力。當(dāng)溫差過大時,導(dǎo)致元件的陶瓷與玻璃部分產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。應(yīng)力裂紋是影響焊點長期可靠性的不利因素。
同時在厚、薄膜混合電路(包括片式電容)組裝過程中,常常有蝕金、蝕銀的現(xiàn)象。這是因為焊料中的錫與鍍金或鍍銀引腳中的金、銀形成化合物,從而導(dǎo)致焊點的可靠性降低。過度的超聲波清洗也可能對焊點的可靠性有影響。
2、時效引起的失效
當(dāng)熔融的焊料與潔凈的基板相接觸時,在界面會形成金屬間化合物(intermetallicCompounds)。在時效過程中,焊點的微結(jié)構(gòu)會粗化,界面處的IMC亦會不斷生長。焊點的失效部分依賴于IMC層的生長動力學(xué)。界面處的金屬間化合物雖然是焊接良好的一個標(biāo)志,但隨著服役過程中其厚度的增加,會引起焊點中微裂紋萌生乃至斷裂。
當(dāng)其厚度超過某一臨界值時,金屬間化合物會表現(xiàn)出脆性,而由于組成焊點的多種材料間的熱膨脹失配,使焊點在服役過程中會經(jīng)歷周期性的應(yīng)變,形變量足夠大時會導(dǎo)致失效。研究表明Sn60/Pb40軟釬料合金中加入微量稀土元素鑭,會減少金屬化合物的厚度,進而使焊點的熱疲勞壽命提高2倍,顯著改善表面組裝焊點的可靠性。
3、熱循環(huán)引起的失效
電子器件在服役條件下,電路的周期性通斷和環(huán)境溫度的周期性變化會使焊點經(jīng)受溫度循環(huán)過程。封裝材料問的熱膨脹失配,將在焊點中產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。如在SMT中芯片載體材料A1203陶瓷的熱膨脹系數(shù)(CTE)為6*10-6℃-1,而環(huán)氧樹脂/玻璃纖維基板的CTE則為15*10-6℃-1。溫度變化時,焊點將承受一定的應(yīng)力和應(yīng)變。一般焊點所承受應(yīng)變?yōu)?%~20%。在THT工藝中,器件的柔性引腳會吸收由于熱失配而引起的大部分應(yīng)變,焊點真正承受的應(yīng)變是很小的。而在SMT中,應(yīng)變基本由焊點來承受,從而會導(dǎo)致焊點中裂紋的萌生和擴展,最終失效。
由于焊點是因熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生熱應(yīng)力而開裂并導(dǎo)致失效,所以提高無引線元件與基板材料的熱匹配最容易成為人們首先關(guān)注的問題。目前已研究開發(fā)出42%Ni-Fe合金(CTE=5*10-6℃-1)、Cu-36%Ni-Fe合金(銦瓦合金)、Cu-Mo-Cu及石英纖維復(fù)合材料等新材料,其中Cu-銦瓦-Cu復(fù)合基板改變其中各成份比例,用此基板鉛焊的焊件經(jīng)1500次熱沖擊實驗,無焊點失效。另外還開發(fā)了在印制板上復(fù)合一層彈性較大的應(yīng)力吸收層,用以吸收由于熱失配引起的應(yīng)力等方面的技術(shù),也取得了比較好的效果。但新型基板材料的工藝復(fù)雜,價格相對昂貴,其實用性受到一定限制。