實(shí)現(xiàn)高可靠性無鉛焊點(diǎn)的機(jī)械性能
福英達(dá)公司-研發(fā)中心-羅樹全
焊錫的三個(gè)基本機(jī)械特性包括應(yīng)力與應(yīng)變特性、抗蠕變性和抗疲勞性。焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度也是體現(xiàn)焊點(diǎn)可靠性的重要因素之一，因?yàn)槎鄶?shù)焊點(diǎn)在使用期間要經(jīng)受剪切應(yīng)力的作用。蠕變?cè)诤更c(diǎn)可靠性測(cè)試中也是一個(gè)很重要的因素，蠕變是當(dāng)溫度和應(yīng)力都保持常數(shù)時(shí)造成的整體塑性變形。這個(gè)決定于時(shí)間的變形可能在絕對(duì)零度之上的任何溫度發(fā)生?？墒?，蠕變現(xiàn)象只是在“活躍”溫度時(shí)體現(xiàn)出來。疲勞是指在交替應(yīng)力之下，焊點(diǎn)可靠性下降甚至失效。疲勞破裂通常從幾個(gè)小裂紋開始，在應(yīng)力的循環(huán)作用下增加，造成焊接點(diǎn)可靠性下降，元器件焊接失敗。在電子封裝和裝配應(yīng)用中的焊錫通常經(jīng)受低循環(huán)疲勞和遭受高應(yīng)力。熱力疲勞是用來刻劃焊錫特性的另一個(gè)測(cè)試模式。在電子封裝領(lǐng)域中，我們?yōu)榱舜_保實(shí)現(xiàn)高可靠性焊點(diǎn)，我們應(yīng)該對(duì)焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，蠕變等情況進(jìn)行測(cè)試分析。
1.1剪切強(qiáng)度測(cè)試
焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度是反應(yīng)焊點(diǎn)可靠性的一個(gè)重要因素，下面是Sn3.5Ag和Sn4.0Ag0.5Cu合金分別在經(jīng)過OSP工藝和鎳沉金（ENIG)工藝的焊盤上的剪切強(qiáng)度測(cè)試
[1]
從上圖可知，使用不同表面處理工藝的焊盤下合金的剪切強(qiáng)度大小，使用ENIG表面處理工藝≥用OSP表面處理工藝, SAC合金和 SA合金剪切強(qiáng)度也是差不多；經(jīng)過老化處理對(duì)剪切強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響；隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)其剪切強(qiáng)度降低。
1.2拉伸強(qiáng)度測(cè)試
焊點(diǎn)的拉伸強(qiáng)度是反應(yīng)焊點(diǎn)可靠性的一個(gè)重要因素，下面是Sn3.5Ag和Sn4.0Ag0.5Cu合金分別在經(jīng)過OSP工藝處理和鎳沉金（ENIG)工藝的焊盤上的拉伸強(qiáng)度測(cè)試
[2]
從上圖可知，使用不同表面處理工藝的焊盤下合金的拉伸強(qiáng)度大小，使用ENIG表面處理工藝≥用OSP表面處理工藝, SAC合金拉伸強(qiáng)度≥ SA合金拉伸強(qiáng)度；經(jīng)過老化處理對(duì)拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響，測(cè)試速度越快其拉伸強(qiáng)度老化越明顯。
1.3剪切強(qiáng)度和剪切速度對(duì)IMC層厚度的測(cè)試
在焊點(diǎn)的IMC層厚度對(duì)焊點(diǎn)可靠性有著重要的影響，太厚太薄都會(huì)對(duì)焊點(diǎn)的穩(wěn)定性和使用期限造成負(fù)面效果。下面是測(cè)試焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度和剪切速度對(duì)IMC層厚度的影響情況
[3]
從上圖可知，剪切強(qiáng)度測(cè)試中，剪切速度越快對(duì)IMC層的厚度影響越大；合金成分對(duì)IMC層的厚度影響不大。
1.4拉伸強(qiáng)度和拉伸速度對(duì)IMC層厚度的測(cè)試
焊點(diǎn)的IMC層的厚度是焊點(diǎn)可靠性的重要因素，下面我們測(cè)試了拉伸強(qiáng)度和拉伸速度對(duì)IMC層的厚度的影響情況
[4]
從上圖可知，拉伸強(qiáng)度測(cè)試中，拉伸速度越快對(duì)IMC層的厚度影響越大；合金成分對(duì)IMC層的厚度影響不大。
1.5比較剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度對(duì)IMC層厚度的影響大小
焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度對(duì)IMC層厚度有著重大影響，下面我們測(cè)試兩種不同合金和兩種不同表面處理工藝下剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度對(duì)IMC層厚度影響情況
[5]
從上圖可知，剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度對(duì)IMC層厚度的影響大小相當(dāng)。
2.1倒裝芯片接頭的蠕變數(shù)據(jù)
蠕變現(xiàn)象影響著焊點(diǎn)可靠性，下面是倒裝芯片接頭的蠕變數(shù)據(jù)
[6][7]
SAC合金蠕變交叉曲線和SnPb合金蠕變交叉曲線測(cè)試情況如下圖
[8]
蠕變行為在焊點(diǎn)可靠性方面起著負(fù)面影響，下面我們進(jìn)一步分析焊點(diǎn)中蠕變行為的產(chǎn)生過程，焊點(diǎn)形變小，焊點(diǎn)蠕變是慢的；焊點(diǎn)形變大，焊點(diǎn)蠕變是快的。
為了焊點(diǎn)可靠性更好，我們應(yīng)該控制合適焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，以及IMC層的厚度，使其達(dá)到焊接可靠性要求。電子器件在使用過程中，環(huán)境溫度會(huì)發(fā)生變化，由于芯片的功率循環(huán)使得周圍溫度發(fā)生變化，而芯片與基板之間的熱膨脹系數(shù)存在差異，因此在焊點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力而造成疲勞損傷。同時(shí)相對(duì)于環(huán)境溫度，焊料自身熔點(diǎn)較低，隨著時(shí)間的推移，焊點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生明顯的粘性行為而導(dǎo)致蠕變損傷，造成焊點(diǎn)斷裂；外部失效模式則表現(xiàn)為電信號(hào)傳輸失真，即電接觸不良、短路和斷路。
在一定的條件下，疲勞損傷和蠕變損傷會(huì)產(chǎn)生交互的作用，蠕變加速裂紋的形成和擴(kuò)展，而循環(huán)開裂造成的損傷又促進(jìn)了蠕變的進(jìn)展，這種交互作用會(huì)加劇損傷，使循環(huán)壽命大大縮短。而航空航天領(lǐng)域內(nèi)的電子產(chǎn)品通常處于更惡劣的溫度循環(huán)條件下，焊點(diǎn)的疲勞蠕變損傷成為電子產(chǎn)品失效的內(nèi)在隱患。因此如何控制焊點(diǎn)疲勞蠕變損傷成為電子封裝領(lǐng)域一個(gè)重要課題。
福英達(dá)專注于微電子與半導(dǎo)體封裝焊料領(lǐng)域20余年，福英達(dá)工業(yè)科技有限公司是一家全球領(lǐng)先的微電子與半導(dǎo)體封裝材料方案提供商，國家高新技術(shù)企業(yè)，深耕于微電子與半導(dǎo)體封裝材料行業(yè)，從合金焊粉到應(yīng)用產(chǎn)品線完整，是目前全球唯一可制造T2-T10全尺寸超微合金焊粉的電子級(jí)封裝材料制造商。福英達(dá)公司錫膏、錫膠及合金焊粉等產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于微電子與半導(dǎo)體封裝的各個(gè)領(lǐng)域。得到全球SMT電子化學(xué)品制造商、微光電制造商和半導(dǎo)體封裝測(cè)試商的普遍認(rèn)可。但微電子與半導(dǎo)體封裝材料問題廣泛，在此我們僅就常見問題展開了敘述。因工藝過程不同，其過程中所涉及到的問題也可能不盡相同。歡迎您就具體問題與我們的專業(yè)人員進(jìn)行溝通討論。我們希望同合作伙伴共同與時(shí)俱進(jìn)，共同探究新問題、新技術(shù)以及復(fù)雜工藝，努力為合作伙伴提供專業(yè)、周到的微電子與半導(dǎo)體封裝焊接材料服務(wù)。
參考文獻(xiàn)
[1]Fubin Song and S. W. Ricky Lee, “Investigation of IMC Thickness Effect on the Lead-free Solder Ball Attachment Strength: Comparison between Ball Shear Test and Cold Bump Pull Test Results”, 56th ECTC Proceedings, P. 1196-1203, San Diego, CA, May 30-June 2, 2006
[2]Fubin Song and S. W. Ricky Lee, “Investigation of IMC Thickness Effect on the Lead-free Solder Ball Attachment Strength: Comparison between Ball Shear Test and Cold Bump Pull Test Results”, 56th ECTC Proceedings, P. 1196-1203, San Diego, CA, May 30-June 2, 2006
[3]Fubin Song and S. W. Ricky Lee, “Investigation of IMC Thickness Effect on the Lead-free Solder Ball Attachment Strength: Comparison between Ball Shear Test and Cold Bump Pull Test Results”, 56th ECTC Proceedings, P. 1196-1203, San Diego, CA, May 30-June 2, 2006
[4]Fubin Song and S. W. Ricky Lee, “Investigation of IMC Thickness Effect on the Lead-free Solder Ball Attachment Strength: Comparison between Ball Shear Test and Cold Bump Pull Test Results”, 56th ECTC Proceedings, P. 1196-1203, San Diego, CA, May 30-June 2, 2006
[5]Fubin Song and S. W. Ricky Lee, “Investigation of IMC Thickness Effect on the Lead-free Solder Ball Attachment Strength: Comparison between Ball Shear Test and Cold Bump Pull Test Results”, 56th ECTC Proceedings, P. 1196-1203, San Diego, CA, May 30-June 2, 2006
[6]Ref: S. Wiese, M. Roellig, K.-J. Wolter, " Creep of Eutectic SnAgCu in Thermally Treated Solder Joints", 55th ECTC, P.1272-1281, May 31-June 3, 2005
[7]Ref: S. Wiese, M. Roellig, K.-J. Wolter, " Creep of Eutectic SnAgCu in Thermally Treated Solder Joints", 55th ECTC, P.1272-1281, May 31-June 3, 2005
[8]Ref: Ahmer Syed, " Accumulated Creep Strain and Energy Density Based Thermal Fatigue Life Prediction Models for SnAgCu Solder Joints", 54th ECTC, P.737-746, June 1-4, 2004, Las Vegas, Nevada.
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