無鉛焊點可靠性的研究進展

鄒陽， 郭波， 段學俊， 吳慶堂， 魏巍， 吳煥

(長春設備工藝研究所，長春 130012)

0 前言

隨著IC集成電路的迅猛發展，其已經從大規模集成電路(LSI)向著超大規模和甚大規模(ULSI)的方向發展。電子元件的發展越來越精密，在印刷電路板上的安裝密度越來越大。研究如何進一步改善釬料的物理性能，提高焊點的抗拉強度和抗蠕變的能力，進而延長電子設備服役時間的問題顯得愈發緊迫和重要。在傳統的釬焊工藝中，SnPb系列釬料具備價格低廉、可焊性較高和導電性能優秀等重要的優勢，SnPb系列釬料已經被大量運用于電子工業界的焊接當中。然而，由于Pb作為有毒重金屬，其對環境和生物具有毒害作用，近年來國內外相關機構學者探索研究使用無鉛釬料作為傳統SnPb釬料的替代品[1]。這種趨勢符合當下科技發展要求，是勢在必行的。

無鉛釬料要代替傳統的SnPb系列釬料，必須具備以下性能[2]：①其全球儲量足夠滿足市場需求。某些元素(如銦和鉍)儲量較小，因此只能作為無鉛釬料中的微量添加成分；②無毒性。某些在考慮范圍內的替代元素(如鎘、碲)是有毒的。而某些元素(如銻)如果改變毒性標準的話，也可以認為是有毒的；③相變溫度(固/液相線溫度)與SnPb釬料相近；④足夠的力學性能：剪切強度、等溫疲勞抗力、熱機疲勞抗力及金屬學組織的穩定性；⑤良好的潤濕性；⑥可接受的成本價格。近年來無鉛釬料得到了廣泛的發展，形成了SnZn系列，SnAgCu系列等無鉛釬料，綜合近年來無鉛釬料的研究，其性能主要從高溫力學性能和常溫力學性能2個方面進行考慮，其評價主要從以下4個方面進行考慮：①潤濕性和力學性能；②抗蠕變性能；③焊點的界面組織形態；④抗疲勞性質。其中，潤濕性和力學性能和焊點的界面組織形態關系到無鉛釬料形成焊點的可焊性，而抗蠕變性能和抗疲勞性質關系到焊點的使用壽命。通過對已知無鉛焊點進行以上4方面的分析可以綜合地反映釬料的使用性能。

經過十幾年的探索研究，國內外相關機構及學者研發出能夠滿足使用環境要求的無鉛釬料若干種，并使其體系初步成形。

1 無鉛釬料體系

經過十幾年的發展，無鉛釬料形成了以Sn為主要基體元素，以SnCu系釬料、SnAgCu系釬料、SnAg系釬料、SnZn系釬料為主要系列的結構體系。除此之外，其他的無鉛釬料：SnBi系、SnIn系、SnSb系、AuSn系、AuGe系等釬料得到了國內外學者的關注和發展。國內研究者主要選取SnCu系、SnAgCu系、SnAg系、SnZn系釬料作為研究對象，嘗試通過一系列合理有效經濟的方法提高無鉛釬料的使用性能。表1為幾種典型無鉛釬料的參數[3-4]。

表1 幾種典型無鉛釬料參數

2 焊點可靠性因素

焊接過程中，釬料熔化，潤濕基板及部件電極，發生各種界面反應，最終形成互連焊點。同時，近年來為了滿足電子產品微型化，便攜化和多功能化的市場需要，以微焊點為互連方式的倒裝芯片向著微小化方向發展。這促使焊點的間距和體積連續減小，導致微焊點在熱循環條件下承受著更大的應力與應變，且焊點體積減小也會弱化本身適應變形的優勢，加劇了焊點失效[5-6]。由此可知，焊點的可靠性直接影響著電子器件的初始故障率及服役壽命。

研究表明，焊接條件對焊點可靠性的影響因素如下[7]：①升溫速度：溫度的均勻性；②預熱溫度及時間：焊劑的活性和基板溫度的均勻性；③峰值溫度及保溫時間：焊料潤濕性及界面形成；④冷卻速度：焊料凝固，焊點的初期組織。其他因素還包括：回流爐氣氛、加熱手段、氣流方向及強度等，這些因素也將對軟釬焊過程產生較大影響。將上述因素隨機組合后，在合適的參數下就可以得到可靠性高的焊點。微焊點釬焊過程中產生的缺陷和服役后產生的缺陷如圖1[3]所示。在釬焊過程中，焊點界面處的金屬間化合物(IMC)是熔融釬料在潤濕過程中與銅基板發生反應后生成的[8]，這些反應主要通過原子的相互擴散來實現。同時，已有研究表明[9]，適量的金屬間化合物(IMC)的厚度可以提高焊點的可靠性，但由于金屬間化合物多為硬脆相，其過度生長會嚴重惡化焊點的力學性能。近兩年來，國內學者主要從外加載荷及熱循環共同作用、有限元模擬分析、電遷移及錫須生長對焊點性能影響4個方面對無鉛焊點的可靠性進行了研究。

圖1 微焊點釬焊過程中產生的缺陷和服役后產生的缺陷

2.1 外加載荷及熱循環共同作用對焊點可靠性的影響

王健等人[10]對比SACBN07與SAC305，SAC0307兩種無鉛釬料焊點在試驗溫度-55～125 ℃下的抗冷熱沖擊性能，發現SACBN07的抗冷熱沖擊性能最佳，同時研究了焊點失效后3種材料中裂紋擴展路徑并發現釬中Bi和Ni元素的加入有效地抑制了IMC的生長。李帥等人[11]基于自制原位置觀察裝置，研究了Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊點在110 ℃恒溫時效下，界面金屬間化合物層的微觀形貌和生長規律，發現隨著時效時間的延長，界面IMC(Cu6Sn5和Cu3Sn)的厚度在不斷增加，界面形貌由扇貝狀轉變為平整的層狀，出現明顯的分層現象，焊點力學性能也隨之下降，如圖2[11]所示。胡玉華等人[12]證明了在150 ℃時效作用下，Sn9Zn0.06Nd/Cu焊點界面層生成了較為平坦的IMC層Cu5Zn8，并隨時效時間的增加，IMC層不斷增厚，同時焊點的拉伸力不斷減小，斷裂方式由韌性斷裂向脆性斷裂轉變。對SnZnNd釬料焊點高溫時效界面組織進行研究[8]，發現時效過程中由于界面體積增加而產生的不斷累積壓應力致使IMC層表面出現孔洞和裂紋，從而導致焊點性能的惡化。SnZnGaNd釬焊接頭進行時效處理[13]，發現在150 ℃時效的條件下，釬焊接頭的剪切力隨時效時間增加而降低，經過720 h時效處理后，SnZnGa-0.08Nd接頭的剪切力仍然高于未經時效的SnZn釬焊接頭。張洪武等人[14]通過設計溫度-定頻振動兩場耦合可靠性試驗，發現溫度由25 ℃升高到100 ℃時，振動載荷下微焊點的壽命顯著提高，焊點失效裂紋由界面裂紋轉變為體釬料裂紋。

圖2 Sn3.0Ag0.5Cu/Cu釬焊接頭時效前后組織形貌

隨著封裝產業將向著微型化發展，釬料的減少使反應層的相對體積變大。此類微尺度無鉛焊點對溫度以及受力的變化更加的敏感。尹立孟等人[15]證明了SAC305無鉛焊點蠕變性能存在尺度效應，大體積微焊點的穩態蠕變速率明顯比小體積的大，小體積焊點的蠕變壽命更長。同時，在100～145 ℃溫度與8～20 MPa應力共同作用下，所有不同體積焊點的蠕變曲線均呈現典型的初始蠕變階段，穩態蠕變階段和加速蠕變階段。同時，也證明了焊點高度對SAC305微尺度焊點力學行為有影響[16]，發現微尺度焊點的拉伸和抗剪強度均隨焊點高度的增大而減小；相同尺寸微尺度焊點的抗剪強度低于抗拉強度，同時剪切斷裂應變小于拉伸斷裂應變。對SAC305/Cu焊點界面IMC層生長速率的研究[17]證明了界面IMC層生長速率存在尺度效應，焊點尺寸越大，IMC層的生長速率越小。同時，隨時效溫度的升高，界面IMC層生長速率增大。

國內學者通過納米壓痕的方法對無鉛焊點的力學性能等方面進行了研究。楊淼淼等人[18]借助納米壓痕的方法對SnAgCuBi-xNi/Cu低銀無鉛焊點的塑形和蠕變性能進行了研究，發現焊點的抗蠕變性能隨著Ni元素含量的增加而增加，Ni元素含量為0.1%(質量分數)時焊點塑性最好。王麗鳳等人[19]通過納米壓痕試驗對BGA界面化合物的力學行為進行了研究，發現在加載速率較小的情況下(Cu,Ni)6Sn5，Cu6Sn5，Cu3Sn具有鋸齒流變效應；在加載速率較大的情況下(Cu,Ni)6Sn5，Cu3Sn的鋸齒流變效應不明顯，而Cu6Sn5的鋸齒流變效應相對明顯。通過對焊點進行一次加載—卸載試驗，戴文琴等人[20]經研究發現Sn0.3Ag0.7Cu-xLa焊點隨稀土La元素含量的增加，焊點的硬度、彈性模量及抗蠕變性能均呈現上升趨勢。賈克朋等人[21]系統地研究了BGA封裝結構中Sn3Ag0.5Cu，Sn0.3Ag0.7Cu，Sn0.3Ag0.7Cu-0.07La和Sn0.3Ag0.7Cu-0.07La0.05Ce焊點的剪切力學行為，發現單板結構中焊點的抗剪強度高于板極結構中焊點的抗剪強度，在板級結構中，高銀焊點的抗剪強度最大，對于板極結構加入稀土元素的低銀焊點剪切力學性能與高銀焊點相當。韋何耕等人[22]對SAC305疊層塑料球柵陣列PBGA焊點在隨機振動條件下的可靠性進行了研究，發現組件在一階固有頻率下振動時，組件邊角疊層焊點受到的應力最大，如圖3[22]所示。

圖3 疊層焊點等效應力分布云圖

通過PCB組件跌落試驗，溫桂琛等人[23]研究了SAC305釬料BGA焊球在沖擊載荷作用下的失效與機理，發現失效裂紋主要出現在焊球的頂端和根部。同時，焊球裂紋一般從焊球兩端外側產生，在跌落沖擊載荷的作用下沿IMC層、β-Sn或PCB基體擴展，最終導致焊球失效。近期有學者研究發現[24]，熱沖擊條件下細間距倒裝SAC305微焊點的裂紋萌生于焊點外側，隨著循環次數的增加，裂紋進入釬料基體中，并沿著焊盤平行方向擴展，如圖4[24]所示。

圖4 熱沖擊條件下SAC305焊點裂紋萌生及擴展示意圖

李曉延團隊[25]探索了不同加載速率和不同釬料厚度對SnAgCu/Cu焊點抗剪切性能的影響，研究發現，加載速率在0.001～1 mm/s范圍內，焊點的抗剪強度隨加載速率的增加而增大；隨著焊點厚度的減小，焊點抗剪切性能提高，裂紋萌生位置逐漸由焊點內部向IMC層轉移。以0805封裝片式電容器件Sn3.0Ag0.5Cu焊點為研究對象[26]，通過建立多周期溫度沖擊下Sn3.0Ag0.5Cu焊點有限元分析模型及真實的焊點熱疲勞壽命試驗，發現Sn3.0Ag0.5Cu焊點抗熱疲勞劣化性能優于SnPb焊點，同時計算得出Sn3.0Ag0.5Cu焊點熱疲勞狀態的擬合方程為：y=67.406-1.276 5e0.653 8x。

綜合以上研究成果可以發現，在外加載荷及熱循環作用下，無鉛焊點的失效主要是由于裂紋源的形成及裂紋向釬料基體組織擴展。在隨機振動對球柵陣列PBGA可靠性研究中，組件邊角焊點受到的應力最大，是組件中最有可能失效的位置。在沖擊載荷的作用下，焊點的IMC層及BGA焊球的頂端和底部是裂紋源形成的集中區域。研究發現通過向無鉛釬料中添加適量的合金元素或稀土元素，可以抑制IMC層的生長，延長焊點的服役期間，提高焊點的可靠性。同時，溫度場溫度高低，外加載荷的大小及頻率顯著影響焊點的服役時間，其具體參數需要通過大量試驗進行進一步量化研究。

2.2 采用有限元模擬分析無鉛焊點可靠性

焊點尺寸的減小使得通過試驗手段獲得應力應變數據變得非常困難，這意味著通過試驗方法預測焊點的可靠性面臨著挑戰。因此，近年來國內外主要采用有限元分析方法，結合彈性力學、粘塑性力學、斷裂力學的理論，分析焊點在應力作用下的損害傷害程度，獲得應力應變數據，進而預測焊點可靠性[27]。倒裝焊點有限元模型主要分為3種：基于斷裂力學的Pairs模型、基于疲勞失效的Manson-Coffin模型及基于能量的Darreaux模型。

田茹玉等人[28]采用多線性等向強化(MISO)本構模型及Darreaux疲勞模型預測了Sn3.0Ag0.5Cu在極限溫度(-180 ℃，+150 ℃)下應力應變分布情況預測CBGA焊點的熱沖擊疲勞如圖5[28]所示，結果表明，局部熱失配導致應力最大點出現在邊角焊點陶瓷載體一側的焊盤與釬料界面，極限溫度熱沖擊載荷下焊點的疲勞壽命遠低于標準溫度循環載荷下的疲勞壽命。

圖5 -180 ℃，+150 ℃條件下焊點應力及應變分布

孔達研究團隊[29]采用Anand模型及蠕變應變疲勞壽命預測模型SAC，SACC，SACF焊點疲勞壽命，研究發現，芯片從中心到拐角焊點變形-應力-應變逐漸增加，芯片下拐角焊點為整個結構危險區域，并證明SnAgCuCe和SnAgCuFe焊點壽命明顯高于SnAgCu焊點使用壽命。近期，有學者采用有限元模擬法分析了在-55～+125 ℃熱沖擊過程中倒裝SAC305微焊點的應力應變及焊點的失效情況并根據基于能量為參考的Darreaux模型[27，30]，研究發現，芯片外側焊點具有最大的累積塑性應變能密度，此處焊點最易失效。魏鶴琳等人[31]采用ANSYS統一Anand粘塑性本構方程描述SnAgCu焊點的非彈性形變，對考慮IMC的PBGA焊點與不考慮IMC的PBGA焊點在溫度循環載荷作用下的應力應變響應進行了比較分析，發現遠離中心位置的外側焊點承受更大的應力應變；在溫度循環加載過程中IMC層積累了較大的應力，由于IMC層的硬脆性材料特性，使釬料在高應力IMC界面發生較大的塑形形變，與實際溫度循環試驗結果更為接近。為了提高芯片尺寸封裝(CSP)器件的焊點可靠性，熊明月等人[32]基于田口法，采用Garofalo-Arrhenius穩態本構方程和有限元法，對CSP器件焊點熱循環載荷下的應力應變分布進行了有限元模擬，發現影響焊點可靠性的主要影響因素為焊點的材料和焊點的高度，得到的最佳方案為焊點材料Sn3.9Ag0.6Cu，焊點高度0.25 mm，芯片厚度0.1 mm，基板厚度0.17 mm。該最優方案和原始設計方案相比，蠕變應變能密度降低了65.4%，信噪比提高了9.22 dB。韋何耕等人[33]建立了PBGA器件疊層焊點應力應變有限元分析模型，對疊層無鉛焊點在熱循環載荷條件下的應力應變分布進行模擬，發現焊點疊加方式能有效提高焊點的熱疲勞壽命；疊層焊點的高度由0.5 mm增加到0.8 mm時，焊點的熱疲勞壽命隨其高度的增加而增加；疊層焊點的最大徑向尺寸由0.3 mm增加到0.45 mm時，焊點的熱疲勞壽命隨焊點的最大徑向尺寸增加而減小。基于蠕變模型采用有限元法對WLSCP30器件Sn3.9Ag0.6Cu焊點可靠性及疲勞壽命進行預測[34]，發現WLSCP器件整體的最大應力集中在陣列最拐角焊點的上表面處，該部位可能成為焊點裂紋的發源地，結合焊點疲勞壽命方程，預測焊點的疲勞壽命并與相關試驗結果較為吻合。如圖6[35]所示，梁穎等人[35]設計了無鉛柔性焊點，并結合有限元分析方法對其應力應變進行了研究，分析發現采用柔性層結構可以有效的降低隨機振動載荷作用下焊點內的應力應變，大大提高了焊點的振動疲勞壽命。同時，裂紋形成在釬料基體中，由外側向內側擴展，邊角焊點的疲勞壽命為6 171次。

圖6 柔性無鉛焊點整體有限元模型

張國禮等人[36]將焊點故障診斷過程中得到的前期故障實測數據作為原始數據，建立了焊點失效灰色模型，并對焊點后期健康狀況進行預測，預測結果與實測結果近似相符。采用有限元模擬的方法對處于溫度場中的CBGA模型焊點疲勞壽命進行分析[37]，結果表明焊點失效是由于焊點的局部熱失配引起的。同時，失效位置集中于距芯片中心較遠端，計算得出溫度分布模型的壽命為1 269 周次，接近于試驗平均值。

由以上成果分析可知，采用有限元模擬分析的方法可以判斷在相同熱應力環境下不同位置焊點的應力及應變分布，進而確定焊點易失效的位置往往處于組件整體受應力集中較大的邊角及拐角處，并與焊點應力應變試驗結果相結合，可以近似判斷焊點的服役壽命。因此，模擬分析方法及相關試驗數據相結合對無鉛釬料的實際應用具有極其重要的指導意義。

2.3 電遷移對焊點可靠性的影響

焊點在微互連接中起到機械支撐和導電連接的作用。電遷移是伴隨電子微互連日益極小化及電子元器件不斷趨向微型化和精密化而出現的一個問題，它是指在電流應力作用下，原子或離子隨電子遷移而導致的成分偏析以致出現丘凸和空洞等材料結構缺陷的現象[38]。比如在倒裝芯片技術中，直徑100 μm的凸點(bump)需要流經0.2 A的電流，在最先進的器件中此直徑甚至小到50 μm，與此同時，凸點內電流密度增加到1×104A/cm2對焊點產生不可忽視的影響，因此電遷移問題成為了今后的研究熱點。

李雪梅等人[39]研究了在Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu微焊點電遷移過程中界面金屬間化合物(IMC)的生長演變機制，如圖7和圖8[39]所示，發現隨加載時間的延長，兩極IMC層厚度均增厚，且陽極IMC層厚度增長速率比陰極大；與固—固電遷移相比，固—液電遷移后，陰極側焊點IMC形貌更規則，且表面光滑度較高。對Cu/Sn-15Bi/Cu焊點在150 ℃下的電遷移組織演變研究[40]，發現受“電子風”的影響，釬料中Cu6Sn5金屬間化合物逐漸向陽極側偏聚。同時，陰極側金屬間化合物脫落，釬料基體中的Cu6Sn5金屬間化合物體積分數逐漸增加；焊點陰極/陽極側界面金屬間化合物厚度隨電遷移時間的延長逐漸增加。

圖7 電荷作用下固—液擴散焊點的微觀形貌

圖8 電荷作用下固—液擴散焊點的界面IMC層厚度變化

尹立孟等人[41]研究了電遷移條件下不同電流密度(0.63×104～10×104A/cm2)和通電時間(0～48 h)對低銀無鉛SnAgCu微尺度焊點的拉伸力學行為的影響，發現電遷移導致焊點的抗拉強度顯著降低，隨著電流密度的增加或通電時間的延長，焊點的抗拉強度均呈下降趨勢，同時電遷移還導致焊點的拉伸斷裂模式發生明顯變化，在經歷高電流密度或長時間通電的電遷移后，焊點在服役條件下會發生由韌性斷裂向脆性斷裂的轉變。同時，王家兵等人[42]研究了無鉛焊點在高電流密度下服役的可靠性，發現導致焊點失效的主要原因是焊點在承受一定電流作用之后，陰極金屬間化合物(IMC)分解，銅焊盤受侵蝕，陽極形成大量的脆性化合物Cu6Sn5。同時，發現添加微量元素如Bi和Ni后，釬料基體得到明顯的細化，界面IMC層較薄，焊點的抗電遷移能力得到了明顯的加強。姚宗湘等人[43]分析了0.3×104A/cm2恒定電流密度和不同加載時間的電遷移條件對6.5 μm厚鍍錫層表面錫須生長行為的影響，發現電遷移加速了鍍層表面錫須的形成與生長，隨著電遷移時間的延長，錫須長度不斷增加。

電遷移的驅動力是“電子風”，當電子從左到右流過時，左側界面的金屬間化合物變厚，而右側變薄，焊點的組織改變嚴重影響其力學性能。綜合以上研究成果，適量的合金化元素的添加有利于細化釬料的組織，抑制IMC界面的生長，提高焊點的抗電遷移能力。同時，在“電子風”的驅動下焊點內部原子的遷移致使內部壓力的增大并引發錫須的生長。一般認為，當錫須長度為50 μm時就可能給電子產品帶來了極大的失效風險[44]。國內學者針對焊點錫須現象開展了一系列研究。近年來有研究表明[44]，在相同的時效條件下，鍍錫層越薄，錫須生長的可能性越大；相同的外加載荷和試驗溫度下，承受壓力作用的鍍錫層比承受拉應力作用時錫須生長得更快。有學者研究了Sn9Zn/Cu無鉛焊點中ZnO須自發生長行為[45]，證明了富鋅相氧化是導致富鋅相表面ZnO須自發生長的原因。葉煥等人[47]在向Sn9Zn0.5Ga基體合金中添加0.7%(質量分數)的稀土Pr元素后，僅需室溫時效12 h，合金組織中的稀土相表面即發生了錫須的自發生長，隨時效時間的延長，錫須繼續長大，最終長度可達100 μm，稀土相氧化所產生的微觀壓應力可能為錫須的生長提供了驅動力。同時，葉煥等人[47]研究了相同時效時間(30 d)，3種不同氧化條件下SnZnGa-xPr無鉛釬料表面的錫須生長行為，發現在室溫環境下，錫須呈典型的針狀生長；在濕熱條件下，錫須呈丘狀生長；而在氮氣氣氛的近似無氧條件下僅發現有少量錫粒在稀土相PrSn3表面產生，基于稀土相氧化驅動錫須理論，得出3種條件環境下錫須生長行為的不同是由于稀土相氧化程度不同造成的。田君等人[48]在Sn3.8Ag0.7Cu釬料中添加過量的稀土Ce和Er元素，通過常溫及150 ℃時效處理的方法研究稀土相CeSn3及ErSn3表面錫須的生長行為，發現稀土相的表面出現了大量規則的針狀及線狀錫須，其在生長過程中始終保持恒定的截面，當錫須根部的頂點位置存在某些稀土化合物時，會出現錫須的分枝現象；當兩枝錫須的根部相距很近時，會出現錫須的合并現象。

綜合以上研究結果發現，錫須的生長驅動力是元素的快速擴散，當存在鍍層時元素內部向表面擴散，然后在鍍層表面形成錫須。同時，電遷移，外界的壓力及釬料中稀土相的氧化均可能引起內部壓力的增加進而引發錫須的生長。然而，到目前為止國內外研究機構仍然沒有闡明錫須的基礎生長機理及高適用性的錫須抑制對策。因此，錫須問題依然是無鉛釬料領域內的研究熱點。

3 結論

(1)采用適量的合金元素或稀土元素對無鉛釬料進行合金化改性，可以抑制界面IMC層的生長，一定程度上提高焊點的可靠性。

(2)外加載荷及熱循環作用是無鉛焊點失效的主要原因，可以采用模擬分析與實際試驗相結合的方法，對不同位置的焊點壽命進行預判。

(3)錫須嚴重影響電子產品的可靠性，其生長機理尚不明確。通過以上研究成果可以明確，電遷移作用可以誘發錫須，并有待進一步深入研究。

(4)無鉛釬料可以代替傳統SnPb釬料在微電子連接領域里發揮作用。但目前沒有一種無鉛釬料的綜合性能達到或超越傳統SnPb釬料，因此新型高可靠性無鉛釬料及新型微連接技術仍是當下研究的熱點方向。