熱載荷下金屬間化合物厚度對焊點可靠性的影響

宋昱含，楊雪霞，崔小朝

（太原科技大學 應(yīng)用科學學院，山西 太原 030024）

可 靠 性

熱載荷下金屬間化合物厚度對焊點可靠性的影響

宋昱含，楊雪霞，崔小朝

（太原科技大學 應(yīng)用科學學院，山西 太原 030024）

研究了在熱循環(huán)載荷條件下，不同厚度的金屬間化合物IMC（Intermetallic Compound）層對焊點可靠性的影響。采用Anand本構(gòu)模型描述無鉛焊點在熱載荷條件下的粘塑性力學行為，運用有限元模擬電子封裝器件在熱載荷循環(huán)下的應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律，確定關(guān)鍵焊點的位置，得到關(guān)鍵焊點的關(guān)鍵點的應(yīng)力、應(yīng)變與時間關(guān)系的曲線，分析IMC層厚度與壽命關(guān)系曲線，并確定其函數(shù)關(guān)系。研究表明：在熱載荷條件下IMC層厚度越大，其焊點的可靠性越低，壽命越短。在IMC層厚度為8.5 μm時，IMC厚度對焊點壽命的影響率出現(xiàn)明顯的變化，影響率由-32.8突然增加到-404，當IMC厚度為14.5 μm時，焊點的壽命值出現(xiàn)了跳躍。

金屬間化合物；等效塑性應(yīng)變；IMC厚度；熱循環(huán)載荷；有限元；可靠性

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，微型電子封裝器件在各個領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著舉足輕重的作用。考慮到鉛對環(huán)境以及人類生活的惡劣影響，無鉛焊料的使用必定成為未來的趨勢。無鉛焊點的含錫量較高，導致其更容易產(chǎn)生金屬間化合物(Intermetallic Compound,IMC)。IMC是由于焊料中的錫元素與被焊的金屬元素的互相擴散、滲入生成的一層金屬薄膜。然而在封裝器件服役的過程中，IMC層會隨之生長，增厚。且IMC層的厚度對焊點的疲勞壽命、韌性、抗剪壓強度有較大的影響，幾乎決定了電子封裝器件的可靠性[1]。

對于IMC層的力學性能，有學者通過納米壓痕的方法對其進行了研究，發(fā)現(xiàn)IMC層的力學性能與焊料和Cu有很大區(qū)別，容易產(chǎn)生相對較大的應(yīng)力集中，造成焊點失效[2]。Pang等[3]研究了高溫停留、低溫停留、熱循環(huán)等溫度時效下的IMC生長的情況，得到了熱循環(huán)下，IMC的生長規(guī)律等理論。楊雪霞等[4-5]認為焊點尺寸越大，IMC層生長速率越小、厚度越薄；隨著溫度的升高其厚度生長速率增大。Xiao等[6]研究了焊點失效的模式為焊料與IMC層的界面失效，得到IMC層越厚，塑性功密度會更大，越容易失效的結(jié)論。

以上研究多是針對IMC厚度生長、力學性能，或者簡單定性地研究了IMC存在對焊點可靠性的影響，因此，亟需對IMC具體的厚度值對焊點熱循環(huán)載荷下可靠性定量的影響進行研究。本文根據(jù)文獻[7]實驗得到的IMC層達到的最大厚度值，以PBGA焊點為研究對象進行有限元模擬，考慮IMC層厚度范圍為0.5 μm到22 μm，研究PBGA焊點應(yīng)力應(yīng)變分布情況以及其熱循環(huán)壽命，得到IMC厚度對焊點可靠性定量的影響，并確定IMC層厚度與焊點壽命的函數(shù)模型。

1 PBGA有限元分析

1.1 建立有限元模型

以PBGA為參考對象，建立二維模型，由于結(jié)構(gòu)和受載荷的對稱性，取一半模型進行建模，并考慮平面應(yīng)變的情況[8-9]。模型包括：PCB板、銅盤、芯片、基板、IMC層、焊料球、環(huán)氧塑封材料7部分組成。模型如圖1所示，焊點、銅盤、IMC層詳細結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 二維PBGA有限元模型Fig.1 Two-dimensional finite element model of PBGA

圖2 焊點局部放大圖Fig.2 Partial enlargement of solder joints

1.2 材料屬性的設(shè)置和單元類型

采用統(tǒng)一的塑性Anand本構(gòu)模型來描述焊點的材料屬性。PCB板和基板為正交各向異性的彈性材料模型[10-14]。Sn3Ag0.5Cu焊點Anand模型中各系數(shù)的取值見表1。

金屬間化合物IMC層視為一種Cu6Sn5材料，假設(shè)為線彈性材料模型，其參數(shù)為表2所示。其他各部分材料屬性見表3所示。線彈性和彈塑性材料選用PLANE182單元，焊球采用的是粘塑性材料模型，采用PLANE183單元。

表1 Sn3Ag0.5Cu焊料的Anand模型的粘塑性材料參數(shù)Tab.1 Viscioplastic parameters for Anand model of Sn3Ag0.5Cu

表2 IMC層的模型參數(shù)Tab.2 Model parameters of IMC

表3 PBGA各材料參數(shù)Tab.3 Material parameters of PBGA

1.3 邊界條件及載荷施加

由于模型的對稱性以及實際受力情況，模型中x=0處的邊界條件設(shè)置為約束所有節(jié)點在x方向的位移。將PCB板底面的中心點（模型中的位置為左下角的點）設(shè)置為參考原點，約束其所有方向的位移。對模型中所有節(jié)點施加相同的熱載荷，忽略PBGA內(nèi)溫度梯度的變化，初始溫度參考室溫25 ℃。溫度載荷參照美國 ML-STD-883軍標，溫度范圍為-55～+125 ℃，見圖3，選取四個周期數(shù)據(jù)進行分析。

圖3 溫度循環(huán)曲線Fig.3 Temperature profile used in thermal cycling simulation

2 結(jié)果分析

無鉛焊點在周期性的熱載荷循環(huán)作用下，其內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變也隨之發(fā)生周期性的變化，其中芯片邊緣的下方的焊點塑性變化最大、最容易發(fā)生疲勞破壞，此點為關(guān)鍵焊點。這是由于在熱循環(huán)時，焊點周圍材料變形位移值不同，且隨著溫度變化而變化，導致焊點周圍承受拉壓應(yīng)力應(yīng)變與剪切應(yīng)力應(yīng)變，循環(huán)結(jié)束后積累了大量的塑性應(yīng)變。芯片與周圍材料的熱膨脹系數(shù)相差近10倍，因此芯片邊緣下方的焊點比其他位置焊點的塑性應(yīng)變值更大。關(guān)鍵焊點為焊點群的薄弱環(huán)節(jié)，疲勞裂紋容易產(chǎn)生并擴散，最終導致焊點失效。在熱循環(huán)載荷作用下，不同厚度的IMC層對于關(guān)鍵焊點位置沒有影響，均是位于芯片下方的焊點上，關(guān)鍵焊點出現(xiàn)在基板與銅盤的連接處的右上角。選取關(guān)鍵焊點的右上方進行受載歷程后處理，此處積累的塑性應(yīng)變最大，最易失效。整體及關(guān)鍵焊點的等效塑性應(yīng)變云圖見圖4、圖5。

圖4 等效塑性應(yīng)變云圖Fig.4 The equivalent plastic strain nephogram

圖5 關(guān)鍵焊點等效塑性應(yīng)變云圖Fig.5 The key solder joint equivalent plastic strain nephogram

2.1 關(guān)鍵焊點的Mises等效應(yīng)力與等效塑性應(yīng)變分析

關(guān)鍵焊點Mises等效應(yīng)力與時間變化如圖6所示。Mises等效應(yīng)力隨著熱載荷的周期變化而呈現(xiàn)周期性變化，在第三、四周期時趨向于穩(wěn)定，其最大應(yīng)力值也有增大的趨勢。在一個周期內(nèi)，在升溫階段IMC熱膨脹系數(shù)逐漸增加，最終接近于焊料的熱膨脹系數(shù)，在高溫保持階段，Mises等效應(yīng)力值急劇下降。當溫度下降時，則會出現(xiàn)應(yīng)力松弛。在低溫保持時，其Mises等效應(yīng)力值緩慢減小。

圖6 關(guān)鍵焊點Mises等效應(yīng)力-時間曲線Fig.6 The key solder joint Von Mises stress-time curve

關(guān)鍵焊點的等效塑性應(yīng)變與時間的變化如圖 7所示。等效塑性應(yīng)變隨著循環(huán)載荷的周期呈現(xiàn)周期性變化，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，等效塑性應(yīng)變隨著循環(huán)次數(shù)的增加積累量也逐漸增加。對于關(guān)鍵焊點內(nèi)的等效塑性應(yīng)變的分布圖沒有明顯的影響，但最大等效塑性應(yīng)變隨著IMC層的厚度增加而增大。由于熱膨脹系數(shù)不同，在升溫階段關(guān)鍵焊點等效塑性應(yīng)變隨著溫度增加而增大，與時間無關(guān)。分析Mises等效應(yīng)力與等效塑性應(yīng)變隨時間的變化趨勢，可以得到關(guān)鍵焊點在高溫和低溫保溫階段表現(xiàn)為彈塑性力學行為，在升溫和降溫時表現(xiàn)為蠕變力學行為。

圖7 關(guān)鍵焊點等效塑性應(yīng)變-時間曲線Fig.7 The key solder joint equivalent plastic strain - time curve

2.2 關(guān)鍵焊點的可靠性分析

PBGA焊點熱疲勞壽命采用修正Manson-Coffin經(jīng)驗方程進行計算：

經(jīng)過計算，得到IMC層厚度不同的焊點的壽命，如圖8所示。當IMC層的厚度增加時，焊點的壽命隨之逐漸下降，通過對IMC厚度與壽命的關(guān)系曲線進行擬合。采用分段函數(shù)擬合可以更好地描述 IMC厚度與壽命的關(guān)系，得到在此工況下，IMC厚度與壽命的關(guān)系函數(shù)如下：

圖8 焊點的熱疲勞壽命隨IMC厚度變化曲線Fig.8 Thermal fatigue life curve of solder joints with the thickness of the IMC

根據(jù)圖8和擬合得到的公式（2），IMC層厚度在8.5 μm時，出現(xiàn)第一次拐點。當IMC厚度小于8.5 μm時，其壽命減小的幅度較小，IMC對于焊點可靠性的影響不大，影響率僅有-32.8。當IMC層厚度大于8.5 μm時，焊點的壽命急劇減小，影響率達到-404，此時IMC層厚度對焊點壽命可靠性影響較大。因此在實際工況時，應(yīng)盡可能控制IMC的厚度值在8.5 μm之內(nèi)，提高焊點壽命的可靠性。在厚度達到14.5 μm時，出現(xiàn)第二次拐點，此處為跳躍點，出現(xiàn)壽命急劇下降的趨勢。但是在此點前后兩段直線的斜率相似，厚度對壽命的影響率沒有明顯影響。

熱循環(huán)載荷下，由于PBGA器件各層材料熱膨脹系數(shù)不同，造成各層材料發(fā)生不同程度的彎曲變形，隨著IMC層厚度增大，其彎曲變形時的截面慣性矩增大，使得彎曲撓度減小，IMC層整體的柔韌性降低，從而與焊點之間的彎曲切應(yīng)力增大，IMC層與焊點接觸邊角處的等效剪切應(yīng)變和等效塑性應(yīng)變增大，造成焊點疲勞壽命值減小。

3 結(jié)論

（1）封裝器件中的芯片右下方焊點內(nèi)的等效塑性應(yīng)力應(yīng)變累積量最大，最容易失效，是整個封裝件中的關(guān)鍵焊點，且關(guān)鍵焊點右上角與銅盤連接處的塑性應(yīng)變最大，為關(guān)鍵位置。

（2）PBGA器件中 IMC層的厚度對焊點的應(yīng)力應(yīng)變有明顯的影響。IMC層厚度變化對等效應(yīng)力的變化趨勢影響不大，而等效塑性應(yīng)變隨IMC層的厚度增加而增大，且增大的速率越來越大。

（3）IMC層厚度對關(guān)鍵焊點的壽命有顯著的影響，關(guān)鍵焊點的壽命周期隨IMC層的厚度增加而減少。IMC層厚度小于8.5 μm時，對于壽命的影響不大。當IMC層厚度大于8.5 μm時，其壽命急速降低。14.5 μm為跳躍點，壽命急劇降低，在跳躍點前后，壽命降低的速率幾乎不變。

[1] XU L H, PANG H L. Isothermal and thermal cycling aging on IMC growth rate in tin-based lead-free electronic solder interface [J]. IEEE Trans Compon Packg Technol, 2005,28(3): 408-414.

[2] 楊雪霞, 肖革勝, 樹學峰. 板級跌落沖擊載荷下無鉛焊點形狀對BGA封裝可靠性的影響 [J]. 稀有金屬材料與工程, 2013, 42(1): 104-107.

[3] PANG H L, XU L H, SHI X Q, et al. Intermetallic growth studies on Sn-Ag-Cu lead-free solder joints [J]. J Electron Mater, 2004, 33(10): 1219-1226.

[4] 楊雪霞, 晉艷娟. 基于納米壓入法研究 Sn3.0Ag0.5Cu焊點金屬間化合物的應(yīng)變率效應(yīng) [J].稀有金屬材料與工程, 2016, 45(6): 1483-1487.

[5] 王建華, 孟工戈, 孫鳳蓮. SAC305/Cu微焊點界面金屬間化合物生長速率 [J]. 焊接學報, 2015, 36(5): 47-50.

[6] XIAO H, LI X Y, LI F H. Growth kinetic of intermetallic compounds and failure behavior for SnAgCu/Cu solder joints subjected to thermal cycling [J]. Mater Eng, 2010, 10:38-42.

[7] 肖革勝, 楊雪霞, 李志剛, 等. Sn-Ag3-Cu0.5/Cu金屬間化合物生長行為對PBGA焊點熱疲勞可靠性的影響 [J].稀有金屬材料與工程, 2013, 42(11): 2315.

[8] WEI H L, WANG K S. Numerical simulation of PBGA lead-free solder joints with consideration of IMC layer under thermal cycling condition [J]. Trans Chin Weld Inst,2012, 33(1): 109-114.

[9] CHIOU Y C, JEN Y M, HUANG S H. Finite element based fatigue life estimation of the solder joints with effect of intermetallic compound growth [J]. Microelectron Reliab,2011, 51(12): 2319-2329.

[10] ZAHN B A. Finite element based solder joint fatigue life predictionfor same die stacked chip scale ball grid array package [C]//SEMI/IEE IEMT Symposium. NY, USA:IEEE, 2002: 74-84.

[11] CHANG B J, WANG L, DIRK J, et al. Finite element modeling predicts the effects of voids on thermal shock reliability ang thermal resistance ofpower device [J]. Weld J, 2006, 85(S): 63-67.

[12] DONGKAI S G. 無鉛焊料互聯(lián)及可靠性 [M]. 劉建影,孫鵬, 譯. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2008, 225-241.

[13] 丁亞萍, 齊芳娟, 孫莉, 等. 無鉛釬料焊點界面與剪切行為的研究 [J]. 電子元件與材料, 2008, 27(1): 74-76.

[14] 蔣禮, 張桂英, 周孑民. 剪切蠕變下無鉛焊點厚度的尺寸效應(yīng) [J]. 電子元件與材料, 2008, 27(8): 55-58.

（編輯：陳渝生）

Effect of intermetallic compound thickness on solder joint reliability under thermal cycling loading

SONG Yuhan, YANG Xuexia, CUI Xiaochao
(School of Applied Science, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

Under thermal cycling load conditions, the effect of intermetallic compound(IMC) layers with different thicknesses on the reliability of solder joints was studied. The viscoplastic mechanic behavior of lead-free solder joints with the thermal loading condition was described by using Anand constitutive model. Finite element method was used to simulate the stress-strain variation rule for electronic package devices under thermal cycling condition and to identify the location of key solder joints, and the stress-strain-time curve for the key solder joints was obtained. Then the function relationship between IMC layer thickness and solder joint lifetime was found out by analyzing the relationship curve between IMC layer thickness and solder joint lifetime. The results show that under the thermal loading condition, the thicker the IMC layer is, the less reliability and lifetime of the solder joint. When the thickness of IMC layer reaches 8.5μm, the influence rate of IMC layer thickness on solder joint lifetime appears obvious change. The influence rate increases abruptly from -32.8 to -404. When the thickness of IMC layer reaches 14.5 μm, the lifetime data of the solder joint appears to jump.

intermetallic compound; equivalent plastic strain; thickness of IMC; thermal cycling loading; FEM;reliability

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.07.017

O34

A

1001-2028（2017）07-0085-04

2017-04-04

楊雪霞

國家自然科學基金項目資助（No. 5157040251；No. 11602157)；山西省青年科技研究項目資助(No. 2015021017)；山西省高等學校科技創(chuàng)新項目資助(No. 2015167)；太原科技大學博士啟動項目資助(No. 20132015)

楊雪霞（1985－），女，河北成安人，副教授，研究方向為微電子封裝金屬材料力學性能研究，E-mail: yangxuexia0124@126.com ；宋昱含（1992－），男，山東濟寧人，研究生，研究方向為電子封裝金屬材料性能及其力學行為，E-mail: songyuhan68@163.com 。

時間：2017-06-29 10:25

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170629.1025.017.html