無(wú)鉛焊點(diǎn)可靠性測(cè)試 焊點(diǎn)質(zhì)量失效模式分析

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(lái)，組裝密度越來(lái)越高，誕生了新型SMT、MCM技術(shù)，微電子器件中的焊點(diǎn)也越來(lái)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(lái)越重，對(duì)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(guò)焊點(diǎn)直接實(shí)現(xiàn)異材間電氣及剛性機(jī)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(gè)焊點(diǎn)的失效就有可能造成器件整體的失效，因此如何保證焊點(diǎn)的質(zhì)量是一個(gè)重要問(wèn)題。傳統(tǒng)鉛錫焊料含鉛，而鉛及鉛化合物屬劇毒物質(zhì)，長(zhǎng)期使用含鉛焊料會(huì)給人類健康和生活環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重危害。

目前電子行業(yè)對(duì)無(wú)鉛軟釬焊的需求越來(lái)越迫切，已經(jīng)對(duì)整個(gè)行業(yè)形成巨大沖擊。無(wú)鉛焊料已經(jīng)開(kāi)始逐步取代有鉛焊料，但無(wú)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(huì)給焊點(diǎn)可靠性帶來(lái)新的問(wèn)題。因此，無(wú)鉛焊點(diǎn)的可靠性也越來(lái)越受到重視。本文敘述焊點(diǎn)的失效模式以及影響無(wú)鉛焊點(diǎn)可靠性的因素，同時(shí)對(duì)無(wú)鉛焊點(diǎn)可靠性測(cè)試方法等方面做了介紹。

焊點(diǎn)的失效模式

焊點(diǎn)的可靠性實(shí)驗(yàn)工作，包括可靠性實(shí)驗(yàn)及分析，其目的一方面是評(píng)價(jià)、鑒定集成電路器件的可靠性水平，為整機(jī)可靠性設(shè)計(jì)提供參數(shù)；另一方面，就是要提高焊點(diǎn)的可靠性。這就要求對(duì)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(jìn)設(shè)計(jì)工藝、結(jié)構(gòu)參數(shù)、焊接工藝等，焊點(diǎn)失效模式對(duì)于循環(huán)壽命的預(yù)測(cè)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(diǎn)失效

焊接工藝中的一些不利因素及隨后進(jìn)行的不適當(dāng)?shù)那逑垂に嚳赡軙?huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)失效。SMT焊點(diǎn)可靠性問(wèn)題主要來(lái)自于生產(chǎn)組裝過(guò)程和服役過(guò)程。在生產(chǎn)組裝過(guò)程中，由于焊前準(zhǔn)備、焊接過(guò)程及焊后檢測(cè)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(guò)程中，由于不可避免的沖擊、振動(dòng)等也會(huì)造成焊點(diǎn)的機(jī)械損傷，如波峰焊過(guò)程中快速的冷熱變化對(duì)元件造成暫時(shí)的溫度差，使元件承受熱一機(jī)械應(yīng)力。當(dāng)溫差過(guò)大時(shí)，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(diǎn)長(zhǎng)期可靠性的不利因素。

同時(shí)在厚、薄膜混合電路（包括片式電容）組裝過(guò)程中，常常有蝕金、蝕銀的現(xiàn)象。這是因?yàn)楹噶现械腻a與鍍金或鍍銀引腳中的金、銀形成化合物，從而導(dǎo)致焊點(diǎn)的可靠性降低。過(guò)度的超聲波清洗也可能對(duì)焊點(diǎn)的可靠性有影響。

2、時(shí)效引起的失效

當(dāng)熔融的焊料與潔凈的基板相接觸時(shí)，在界面會(huì)形成金屬間化合物（intermetallicCompounds）。在時(shí)效過(guò)程中，焊點(diǎn)的微結(jié)構(gòu)會(huì)粗化，界面處的IMC亦會(huì)不斷生長(zhǎng)。焊點(diǎn)的失效部分依賴于IMC層的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)。界面處的金屬間化合物雖然是焊接良好的一個(gè)標(biāo)志，但隨著服役過(guò)程中其厚度的增加，會(huì)引起焊點(diǎn)中微裂紋萌生乃至斷裂。

當(dāng)其厚度超過(guò)某一臨界值時(shí)，金屬間化合物會(huì)表現(xiàn)出脆性，而由于組成焊點(diǎn)的多種材料間的熱膨脹失配，使焊點(diǎn)在服役過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷周期性的應(yīng)變，形變量足夠大時(shí)會(huì)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(huì)減少金屬化合物的厚度，進(jìn)而使焊點(diǎn)的熱疲勞壽命提高2倍，顯著改善表面組裝焊點(diǎn)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(huì)使焊點(diǎn)經(jīng)受溫度循環(huán)過(guò)程。封裝材料問(wèn)的熱膨脹失配，將在焊點(diǎn)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(shù)脂／玻璃纖維基板的CTE則為15*10-6℃-1。溫度變化時(shí)，焊點(diǎn)將承受一定的應(yīng)力和應(yīng)變。一般焊點(diǎn)所承受應(yīng)變?yōu)?％～20％。在THT工藝中，器件的柔性引腳會(huì)吸收由于熱失配而引起的大部分應(yīng)變，焊點(diǎn)真正承受的應(yīng)變是很小的。而在SMT中，應(yīng)變基本由焊點(diǎn)來(lái)承受，從而會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)中裂紋的萌生和擴(kuò)展，最終失效。

由于焊點(diǎn)是因熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生熱應(yīng)力而開(kāi)裂并導(dǎo)致失效，所以提高無(wú)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(wèn)題。目前已研究開(kāi)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(shí)驗(yàn)，無(wú)焊點(diǎn)失效。另外還開(kāi)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(jià)格相對(duì)昂貴，其實(shí)用性受到一定限制。