影響無(wú)鉛焊點(diǎn)可靠性的因素

　　1對(duì)無(wú)鉛焊料的性能要求

　　傳統(tǒng)錫鉛焊料因具有價(jià)廉、易焊接、成形美觀(guān)以及物理、力學(xué)和冶金性能好等特點(diǎn)而作為連接元器件和印刷電路板的標(biāo)準(zhǔn)材料，并形成了一整套的使用工藝，長(zhǎng)期以來(lái)深受電子廠(chǎng)商的青睞。但由于鉛及鉛化合物對(duì)人類(lèi)健康和生活環(huán)境的不利影響，限制和禁止使用含鉛焊料的呼聲日益高漲，各國(guó)政府紛紛制定相應(yīng)的法規(guī)約束電子產(chǎn)品的使用材料和廢棄物的處理，電子封裝的環(huán)境友好化要求已成為全球趨勢(shì)。因此目前電子行業(yè)全面面臨無(wú)鉛化的要求，已經(jīng)對(duì)整個(gè)行業(yè)形成巨大沖擊。近幾年無(wú)鉛焊料迅速發(fā)展起來(lái)，最常用的是Sn-Ag-Cu系列。

　　微電子領(lǐng)域使用的焊料有著很?chē)?yán)格的性能要求，無(wú)鉛焊料也不例外，不僅包括電學(xué)和力學(xué)性能，還必須具有理想的熔融溫度。從制造工藝和可靠性?xún)煞矫婵紤]，表1列出了焊料合金的一些重要性能。

　　2影響無(wú)鉛焊點(diǎn)可靠性的因素

　　與傳統(tǒng)的含鉛工藝相比，無(wú)鉛化焊接由于焊料的差異和工藝參數(shù)的調(diào)整，必不可少地會(huì)給焊點(diǎn)可靠性帶來(lái)一定的影響。首先是目前無(wú)鉛焊料的熔點(diǎn)較高，一般都在217℃左右，而傳統(tǒng)的Sn-Pb共晶焊料熔點(diǎn)是183℃，溫度曲線(xiàn)的提升隨之會(huì)帶來(lái)焊料易氧化及金屬間化合物生長(zhǎng)迅速等問(wèn)題。其次是由于焊料不含Pb，焊料的潤(rùn)濕性能較差，容易導(dǎo)致產(chǎn)品焊點(diǎn)的自校準(zhǔn)能力、拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等不能滿(mǎn)足要求。以某廠(chǎng)商為例，原含鉛工藝焊點(diǎn)不合格率一般平均在50×10-6（0．05％）左右，而無(wú)鉛工藝由于焊料潤(rùn)濕性差，不合格率上升至200×10-6～500×10-6（0．2～0．5％）。

　　鑒于無(wú)鉛化焊點(diǎn)可靠性方面目前仍存在許多問(wèn)題，有必要對(duì)此進(jìn)行分析。無(wú)鉛焊點(diǎn)的可靠性問(wèn)題主要來(lái)源于：焊點(diǎn)的剪切疲勞與蠕變裂紋［7，8，9］、電遷移［8，10］、焊料與基體界面金屬間化合物形成裂紋［7，8，11，12］、Sn晶須生長(zhǎng)引起短路［7，8］，電腐蝕和化學(xué)腐蝕問(wèn)題r¨等。以下我們主要從設(shè)計(jì)、材料與工藝角度介紹影響無(wú)鉛焊點(diǎn)可靠性的一些因素。

　　（1）設(shè)計(jì)：PCB的合理設(shè)計(jì)問(wèn)題。如焊盤(pán)設(shè)計(jì)不合理、發(fā)熱量大的元件密集分布、相鄰高大元件在回流焊時(shí)產(chǎn)生“高樓效應(yīng)”、形成熱風(fēng)沖擊等。

　　（2）材料：焊料的選擇極為重要。目前，大多采用錫銀銅合金系列，液相溫度是217℃-221℃，這就要求再流焊具有較高的峰值溫度，如前所述會(huì)帶來(lái)焊料及導(dǎo)體材料（如Cu箔）易高溫氧化、金屬間化合物生長(zhǎng)迅速等問(wèn)題。因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中，熔融的釬料與焊接襯底接觸時(shí)，由于高溫在界面會(huì)形成一層金屬間化合物（IMc）。其形成不但受回流焊溫度、時(shí)間的控制，而且在后期使用過(guò)程中其厚度會(huì)隨時(shí)間增加。

　　研究表明界面上的金屬間化合物是影響焊點(diǎn)可靠性的一個(gè)關(guān)鍵因素。過(guò)厚的金屬間化合物層的存在會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)斷裂、韌性和抗低周疲勞能力下降，從而導(dǎo)致焊點(diǎn)的可靠性降低。以當(dāng)前最為成熟的Sn-Ag系無(wú)鉛焊料為例，由于熔點(diǎn)更高，相應(yīng)的再流焊溫度也將提高，加之無(wú)鉛焊料中Sn含量都比Sn-Pb焊料高，這兩者都增大了焊點(diǎn)和基體間界面上形成金屬問(wèn)化合物的速率，導(dǎo)致焊點(diǎn)提前失效。

　　另外，由于無(wú)鉛焊料和傳統(tǒng)Sn-Pb焊料成分不同，因而它們和焊盤(pán)材料，如Cu、Ni、AgPd等的反應(yīng)速率及反應(yīng)產(chǎn)物可能不同，焊點(diǎn)也會(huì)表現(xiàn)出不同的可靠性。同時(shí)焊料和助焊劑的兼容性也會(huì)對(duì)焊點(diǎn)的可靠性產(chǎn)生非常大的影響。有研究表明：焊料和助焊劑各成分之間不兼容會(huì)導(dǎo)致附著力減小。此外，由于熱膨脹系數(shù)不匹配，又會(huì)加快焊料周期性的疲勞失效。因此要特別注意選擇兼容性?xún)?yōu)良的焊料和助焊劑，才能耐受住無(wú)鉛再流焊時(shí)的高溫沖擊。

　　另外，各互連焊接部件均來(lái)自于不同生產(chǎn)廠(chǎng)商，因而部件質(zhì)量難免參差不齊，如器件引腳可焊性不良等，對(duì)無(wú)鉛工藝焊點(diǎn)可靠性有較大影響。比較典型的例子是．PCB板焊盤(pán)質(zhì)量問(wèn)題。由于以前的熱風(fēng)整平（HASL）焊盤(pán)涂層工藝存在一些缺點(diǎn)，因此目前OEM廠(chǎng)商應(yīng)用較廣泛的包括有機(jī)可焊性保護(hù)層（OSP）和Ni／Au涂層工藝。

　　其中Ni／Au涂層又有浸金法和鍍金法兩種，浸金法由于工藝簡(jiǎn)單而較受?chē)?guó)內(nèi)廠(chǎng)商青睞，但此法難于控制Au層厚度，常會(huì)出現(xiàn)Au層厚度不足導(dǎo)致其下的Ni層氧化，影響回流焊接時(shí)焊點(diǎn)的性能。對(duì)于此種情況，廠(chǎng)商一般可用俄歇電子能譜儀（AES）精確測(cè)量PCB焊盤(pán)的Au層厚度是否符合規(guī)格。

　　（3）工藝：在SMT、MCM制作工藝過(guò)程中，通常會(huì)遇到諸如焊料儲(chǔ)存溫度不當(dāng)、焊盤(pán)焊料不足、再流焊溫度曲線(xiàn)設(shè)置不當(dāng)?shù)葐?wèn)題。就無(wú)鉛焊接而言，再流焊工藝溫度曲線(xiàn)的優(yōu)化至為重要，優(yōu)良的工藝既可保證形成高可靠性的焊接，又保持盡可能低的峰值溫度。

　　因此，目前除日本以外，其他國(guó)家的消費(fèi)電子公司似乎都接受了錫銀銅合金系列，合金中銀所占比例為3．0％～4.7％，銅為0．5％-3.0％。不同成分的合金熔點(diǎn)相差不大，基本上在217℃-221℃之間，而錫鉛合金（63％的錫和37％的鉛）的液相溫度是183℃，兩者相差34℃。

　　因此嚴(yán)密監(jiān)控再流工藝中的關(guān)鍵變量，如峰值溫度、高于液相溫度的時(shí)間、浸漬時(shí)間、浸漬溫度以及由于選擇焊劑和焊膏而引起的斜坡速率，以確保再流焊過(guò)程保持1．33或高于1．33的Cpk。另外需注意的一點(diǎn)是含Bi無(wú)鉛焊料的使用問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)，含Bi焊料與Sn-Pb涂層的器件接觸時(shí)，回流焊后會(huì)生成Sn-Pb-Bi共晶合金，熔點(diǎn)只有99．6℃，極易導(dǎo)致焊接部位開(kāi)裂的發(fā)生。因此對(duì)含Bi無(wú)鉛焊料的使用需注意器件涂層是否為Sn-Pb涂層。

　　另外，關(guān)于無(wú)鉛焊接工藝中出現(xiàn)的空洞問(wèn)題14，15］。空洞是互連焊點(diǎn)在回流焊接中常見(jiàn)的一種缺陷，在BGA／CSP等器件上表現(xiàn)得尤為突出。由于空洞的大小、位置、所占比例以及測(cè)量方面的差異性較大，至今對(duì)空洞水平的安全性評(píng)估仍未統(tǒng)一。有經(jīng)驗(yàn)的工程師習(xí)慣將無(wú)較大空洞（小尺寸的空洞體積之和不超過(guò)焊點(diǎn)體積的0．5％）、空洞比例低于15％～20％，且不集中于連接處的空洞歸于回流焊接中常見(jiàn)的一種缺陷，并認(rèn)為是可以接受的；

　　另一方面，按照Motorola的研究結(jié)果認(rèn)為直徑3μm～5μm的空洞事實(shí)上能提高焊點(diǎn)的長(zhǎng)期可靠性，因?yàn)樗谝欢ǔ潭壬峡梢宰柚购更c(diǎn)中裂紋的擴(kuò)展。但一般認(rèn)為大的空洞，或空洞面積達(dá)到一定比例后會(huì)給可靠性帶來(lái)不利影響。

　　因此，在無(wú)鉛焊接中，空洞仍然是一個(gè)必須關(guān)注的問(wèn)題。在熔融狀態(tài)下，Sn／Ag／Cu合金比Sn-Pb合金的表面張力更大，表面張力的增加勢(shì)必會(huì)使氣體在冷卻階段的外溢更加閑難，使得空洞比例增加。這一點(diǎn)在無(wú)鉛錫膏的研發(fā)過(guò)程中得到證實(shí)，結(jié)果顯示使用無(wú)鉛錫膏的焊點(diǎn)中的空洞數(shù)量多于使用錫鉛錫膏的焊點(diǎn)。

　　大的空洞和一些小的球形空洞是由于助焊劑的揮發(fā)造成的，錫膏中助焊劑的配比是影響焊點(diǎn)空洞的最直接因素，因此無(wú)鉛錫膏仍有很大的改善空間。作為新一代的無(wú)鉛錫膏產(chǎn)品，Multicore（96SCLF32OAGS88）由于增加了助焊劑在高溫的活性，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)上的長(zhǎng)足飛躍，使得無(wú)鉛焊點(diǎn)的空洞水平可降低到7．5％左右。近兩年隨著材料研究方面的進(jìn)展，研制的第二代通用型無(wú)鉛焊膏除了具有更寬的工藝窗口、更容易應(yīng)用、有更好的外觀(guān)外，最為重要的是解決了空洞問(wèn)題。