无铅焊料表面贴装焊点的可靠性

《无铅焊料表面贴装焊点的可靠性》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、无铅焊料表面贴装焊点的可靠性

2、第1由于Pb对人体及环境的危害，在不久的将来必将禁止Pb在电子工业中的使用。为寻求在电子封装工业中应用广泛的共晶或近共晶SnPb钎料的替代品，国际上对无Pb钎料进行了广泛研究。其中，共晶SnAg和共晶SnAgCu钎料作为潜在的无Pb钎料，具有剪切强度、抗蠕变能力、热疲劳寿命好等特点。在焊接过程中，熔融的钎料与焊接衬底接触时，在界面会形成一层金属间化合物（IMC）。其形成不但受回流焊接过程中温度、时间的控制，而且在后期的服役过程中其厚度也会随着时间的延长而增加。研究表明界面上的金属

3、间化合物是影响焊点可靠性的一个关键因素。过厚的金属间化合物层会导致焊点断裂韧性和抗低周疲劳能力下降，从而导致焊点可靠性的下降。由于无铅焊料和传统的SnPb焊料的成分不同，因此它和焊接基板如Cu、Ni和AgPd等的反应速率以及反应产物就有可能不同，从而表现出不同的焊点可靠性。本所全面而系统地研究了Sn96.5Ag3.5、Sn95.5Ag3.8Cu0.7和Sn95Sb5等无铅焊料和多种基板及器件所形成表面贴装焊点的可靠性，现就一些研究成果做一简要介绍。无铅焊料与Au/Ni/Cu焊盘所形成焊点的可靠性实验选用的表面

4、贴装元件为1206型陶瓷电阻。FR4印刷电路板上的焊盘结构为Cu/Ni-P/Au，其中，Ni-P层厚度为5mm，P含量为12at%。所用焊料为以上几种无铅焊料以及62Sn36Pb2Ag。用剪切强度测试方法考察焊点在150℃时效过程中的可靠性。图1为SnAg/Ni-P/Cu焊点的扫描电镜照片。在SnAg/Ni-P界面发现有Ni3Sn4生成，其厚度随时效时间而增加。SnAg焊点由Sn基体与镶嵌于其中的Ag3Sn颗粒组成，在界面附近有少量的片状Ni3Sn4，这是由于在回流过程中溶于焊料中的Ni在其后的冷却过程中析出

5、而形成。与SnPbAg焊点相比，时效后的SnAg焊点微组织的粗化要轻微得多，Ag3Sn颗粒的大小几乎不随时效时间变化。图2为SnPbAg和SnAg焊点的剪切强度与时效时间的关系。可见，SnPbAg焊点的强度随时效时间的延长而下降，经1000h时效后，其强度下降29%。而SnAg焊点在时效初期，其强度比SnPbAg焊点高，但250h时效后，焊点强度剧烈下降。时效结束时，其强度已不足原有强度的30%。断口分析表明，SnPbAg和SnAg焊点的断裂方式明显不同。对于SnPbAg焊点，时效前，焊点在焊料内部塑性断裂；

6、随着时效的继续，Ni3Sn4层厚度增加，裂纹在Ni3Sn4层内及其与Ni-P界面处产生，并使焊点的剪切强度下降。SnAg焊点在时效的开始阶段断裂方式与SnPbAg焊点相同，但超过250h时，Ni-P层开始从Cu基体上脱落，焊点剪切强度大幅度下降。在回流及时效过程中，焊料与Ni-P层间会发生互扩散，在界面形成金属间化合物。Ni-P与Cu基体之间的结合强度主要是通过Ni-P在化学镀过程中填充Cu表面的微小凹坑互相咬合和通过原子间作用力而得到的。在400℃以下，Ni-P与Cu之间的互扩散不会影响界面结合强度。本试验

7、中，Cu/Ni-P层状结构在回流焊接及时效处理过程中所承受的温度均低于300℃，所以热处理本身不会对Ni-P/Cu的结合强度产生很大影响。焊料和Ni-P中的互扩散组元分别为Sn和Ni。电子探针测试表明，界面上的Ni3Sn4层中探测不到P，即P只存在于剩余的Ni-P层中。P被排斥出互扩散层是由于其在Ni-Sn金属间化合物中的溶解度很小所致，而这将导致剩余Ni-P层中P含量上升。图3为SnPbAg和SnAg焊点中剩余Ni-P层中心部位的P含量的电子探针测定结果。从中可见，未经时效处理的SnAg焊点中Ni-P层P含

8、量就已较高，在时效过程中又以较高的速率上升，直至约250h后达到饱和。显然，回流过程中SnAg与Ni-P反应较快是时效前Ni-P层P较高的原因。而在其后的时效过程中，虽然SnPbAg和SnAg与Ni-P的反应速率基本一致，但由于此时SnAg焊点中剩余Ni-P层比SnPbAg焊点中的薄，等厚度Ni-P的消耗仍然会导致SnAg焊点中Ni-P层P含量以较快的速率上升。Ni-P层P含量的快速积累同时意味着Ni的快速消耗，即剩余Ni-P中的Ni向SnAg焊料一侧扩散，最终会导致Cu/Ni-P界面上有较多的Kirkend

9、all孔洞的生成，使Cu/Ni-P结合强度下降。SnPbAg与Ni-P的反应较慢，对Ni-P/Cu的结合强度的影响则较小。SnAgCu以及SnSb与SnAg焊点的情况相似，时效过程中都发现Ni-P层从Cu上脱落的现象，因此，当使用高锡无铅焊料时应选用较厚的Ni-P层或其他种类的焊盘结构。无铅焊料与Cu焊盘所形成焊点的可靠性图4为回流焊接及在150℃时效前和1000h后SnAg/Cu焊点靠近界面处的扫