影響無鉛焊點可靠性的因素

1、對無鉛焊料的性能要求 

傳統(tǒng)錫鉛焊料因具有價廉、易焊接、成形美觀以及物理、力學(xué)和冶金性能好等特點而作為連接元器件和印刷電路板的標準材料，并形成了一整套的使用工藝，長期以來深受電子廠商的青睞。但由于鉛及鉛化合物對人類健康和生活環(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。因此目前電子行業(yè)全面面臨無鉛化的要求，已經(jīng)對整個行業(yè)形成巨大沖擊。近幾年無鉛焊料迅速發(fā)展起來，最常用的是Sn-Ag-Cu系列。

微電子領(lǐng)域使用的焊料有著很嚴格的性能要求，無鉛焊料也不例外，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兩方面考慮，表1列出了焊料合金的一些重要性能[4,5]。 

2、影響無鉛焊點可靠性的因素 

與傳統(tǒng)的含鉛工藝相比，無鉛化焊接由于焊料的差異和工藝參數(shù)的調(diào)整,必不可少地會給焊點可靠性帶來一定的影響。首先是目前無鉛焊料的熔點較高，一般都在217℃左右，而傳統(tǒng)的Sn-Pb共晶焊料熔點是183℃，溫度曲線的提升隨之會帶來焊料易氧化及金屬間化合物生長迅速等問題。其次是由于焊料不含Pb，焊料的潤濕性能較差，容易導(dǎo)致產(chǎn)品焊點的自校準能力、拉伸強度、剪切強度等不能滿足要求。以某廠商為例，原含鉛工藝焊點不合格率一般平均在50×10-6(0．05％)左右，而無鉛工藝由于焊料潤濕性差，不合格率上升至200×10-6～500×10-6(0．2～0．5％)[6]。 

鑒于無鉛化焊點可靠性方面目前仍存在許多問題，有必要對此進行分析。無鉛焊點的可靠性問題主要來源于：焊點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晶須生長引起短路[7，8],電腐蝕和化學(xué)腐蝕問題r¨等。以下我們主要從設(shè)計、材料與工藝角度介紹影響無鉛焊點可靠性的一些因素。 

(1)設(shè)計：PCB的合理設(shè)計問題。如焊盤設(shè)計不合理、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，如前所述會帶來焊料及導(dǎo)體材料(如Cu箔)易高溫氧化、金屬間化合物生長迅速等問題。因為在焊接過程中，熔融的釬料與焊接襯底接觸時，由于高溫在界面會形成一層金屬間化合物(IMc)。其形成不但受回流焊溫度、時間的控制，而且在后期使用過程中其厚度會隨時間增加。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的存在會導(dǎo)致焊點斷裂、韌性和抗低周疲勞能力下降，從而導(dǎo)致焊點的可靠性降低。以當前最為成熟的Sn-Ag系無鉛焊料為例，由于熔點更高，相應(yīng)的再流焊溫度也將提高，加之無鉛焊料中Sn含量都比Sn-Pb焊料高，這兩者都增大了焊點和基體間界面上形成金屬問化合物的速率，導(dǎo)致焊點提前失效[13]。另外，由于無鉛焊料和傳統(tǒng)Sn-Pb焊料成分不同，因而它們和焊盤材料，如Cu、Ni、AgPd等的反應(yīng)速率及反應(yīng)產(chǎn)物可能不同，焊點也會表現(xiàn)出不同的可靠性。同時焊料和助焊劑的兼容性也會對焊點的可靠性產(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導(dǎo)致附著力減小。此外，由于熱膨脹系數(shù)不匹配，又會加快焊料周期性的疲勞失效。因此要特別注意選擇兼容性優(yōu)良的焊料和助焊劑，才能耐受住無鉛再流焊時的高溫沖擊。 

另外，各互連焊接部件均來自于不同生產(chǎn)廠商，因而部件質(zhì)量難免參差不齊，如器件引腳可焊性不良等，對無鉛工藝焊點可靠性有較大影響。比較典型的例子是．PCB板焊盤質(zhì)量問題。由于以前的熱風(fēng)整平(HASL)焊盤涂層工藝存在一些缺點，因此目前OEM廠商應(yīng)用較廣泛的包括有機可焊性保護層(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，浸金法由于工藝簡單而較受國內(nèi)廠商青睞，但此法難于控制Au層厚度，常會出現(xiàn)Au層厚度不足導(dǎo)致其下的Ni層氧化，影響回流焊接時焊點的性能。對于此種情況，廠商一般可用俄歇電子能譜儀(AES)精確測量PCB焊盤的Au層厚度是否符合規(guī)格。 

(3)工藝：在SMT、MCM制作工藝過程中，通常會遇到諸如焊料儲存溫度不當、焊盤焊料不足、再流焊溫度曲線設(shè)置不當?shù)葐栴}。就無鉛焊接而言，再流焊工藝溫度曲線的優(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，其他國家的消費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、高于液相溫度的時間、浸漬時間、浸漬溫度以及由于選擇焊劑和焊膏而引起的斜坡速率，以確保再流焊過程保持1．33或高于1．33的Cpk。另外需注意的一點是含Bi無鉛焊料的使用問題。研究發(fā)現(xiàn)，含Bi焊料與Sn-Pb涂層的器件接觸時，回流焊后會生成Sn-Pb-Bi共晶合金，熔點只有99．6℃，極易導(dǎo)致焊接部位開裂的發(fā)生。因此對含Bi無鉛焊料的使用需注意器件涂層是否為Sn-Pb涂層。 

另外，關(guān)于無鉛焊接工藝中出現(xiàn)的空洞問題。空洞是互連焊點在回流焊接中常見的一種缺陷，在BGA／CSP等器件上表現(xiàn)得尤為突出。由于空洞的大小、位置、所占比例以及測量方面的差異性較大，至今對空洞水平的安全性評估仍未統(tǒng)一。有經(jīng)驗的工程師習(xí)慣將無較大空洞(小尺寸的空洞體積之和不超過焊點體積的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的一種缺陷，并認為是可以接受的；另一方面，按照Motorola的研究結(jié)果認為直徑3μm～5μm的空洞事實上能提高焊點的長期可靠性，因為它在一定程度上可以阻止焊點中裂紋的擴展。但一般認為大的空洞，或空洞面積達到一定比例后會給可靠性帶來不利影響。 

因此，在無鉛焊接中，空洞仍然是一個必須關(guān)注的問題。在熔融狀態(tài)下，Sn／Ag／Cu合金比Sn-Pb合金的表面張力更大，表面張力的增加勢必會使氣體在冷卻階段的外溢更加閑難，使得空洞比例增加。這一點在無鉛錫膏的研發(fā)過程中得到證實，結(jié)果顯示使用無鉛錫膏的焊點中的空洞數(shù)量多于使用錫鉛錫膏的焊點。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空洞的最直接因素，因此無鉛錫膏仍有很大的改善空間。作為新一代的無鉛錫膏產(chǎn)品，Multicore(96SC LF32OAGS88)由于增加了助焊劑在高溫的活性，實現(xiàn)了技術(shù)上的長足飛躍，使得無鉛焊點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展，研制的第二代通用型無鉛焊膏除了具有更寬的工藝窗口、更容易應(yīng)用、有更好的外觀外，最為重要的是解決了空洞問題。