無鉛焊點可靠性問題分析及測試方法

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的日新月異，微細間距器件發(fā)展起來，組裝密度越來越高，誕生了新型SMT、MCM技術(shù)，微電子器件中的焊點也越來越小，而其所承載的力學(xué)、電學(xué)和熱力學(xué)負荷卻越來越重，對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)均要求通過焊點直接實現(xiàn)異材間電氣及剛性機械連接（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。

　　一個焊點的失效就有可能造成器件整體的失效，因此如何保證焊點的質(zhì)量是一個重要問題。傳統(tǒng)鉛錫焊料含鉛，而鉛及鉛化合物屬劇毒物質(zhì)，長期使用含鉛焊料會給人類健康和生活環(huán)境帶來嚴重危害。

　　目前電子行業(yè)對無鉛軟釬焊的需求越來越迫切，已經(jīng)對整個行業(yè)形成巨大沖擊。無鉛焊料已經(jīng)開始逐步取代有鉛焊料，但無鉛化技術(shù)由于焊料的差異和焊接工藝參數(shù)的調(diào)整，必不可少地會給焊點可靠性帶來新的問題。因此，無鉛焊點的可靠性也越來越受到重視。本文敘述焊點的失效模式以及影響無鉛焊點可靠性的因素，同時對無鉛焊點可靠性測試方法等方面做了介紹。

　　焊點的失效模式

　　焊點的可靠性實驗工作，包括可靠性實驗及分析，其目的一方面是評價、鑒定集成電路器件的可靠性水平，為整機可靠性設(shè)計提供參數(shù)；另一方面，就是要提高焊點的可靠性。這就要求對失效產(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設(shè)計工藝、結(jié)構(gòu)參數(shù)、焊接工藝等，焊點失效模式對于循環(huán)壽命的預(yù)測非常重要，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失效

　　焊接工藝中的一些不利因素及隨后進行的不適當?shù)那逑垂に嚳赡軙?dǎo)致焊點失效。SMT焊點可靠性問題主要來自于生產(chǎn)組裝過程和服役過程。在生產(chǎn)組裝過程中，由于焊前準備、焊接過程及焊后檢測等設(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，在使用過程中，由于不可避免的沖擊、振動等也會造成焊點的機械損傷，如波峰焊過程中快速的冷熱變化對元件造成暫時的溫度差，使元件承受熱一機械應(yīng)力。當溫差過大時，導(dǎo)致元件的陶瓷與玻璃部分產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。應(yīng)力裂紋是影響焊點長期可靠性的不利因素。

　　同時在厚、薄膜混合電路（包括片式電容）組裝過程中，常常有蝕金、蝕銀的現(xiàn)象。這是因為焊料中的錫與鍍金或鍍銀引腳中的金、銀形成化合物，從而導(dǎo)致焊點的可靠性降低。過度的超聲波清洗也可能對焊點的可靠性有影響。

　　2時效引起的失效

　　當熔融的焊料與潔凈的基板相接觸時，在界面會形成金屬間化合物（intermetallicCompounds）。在時效過程中，焊點的微結(jié)構(gòu)會粗化，界面處的IMC亦會不斷生長。焊點的失效部分依賴于IMC層的生長動力學(xué)。界面處的金屬間化合物雖然是焊接良好的一個標志，但隨著服役過程中其厚度的增加，會引起焊點中微裂紋萌生乃至斷裂。

　　當其厚度超過某一臨界值時，金屬間化合物會表現(xiàn)出脆性，而由于組成焊點的多種材料間的熱膨脹失配，使焊點在服役過程中會經(jīng)歷周期性的應(yīng)變，形變量足夠大時會導(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，會減少金屬化合物的厚度，進而使焊點的熱疲勞壽命提高2倍，顯著改善表面組裝焊點的可靠性。

　　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使焊點經(jīng)受溫度循環(huán)過程。封裝材料問的熱膨脹失配，將在焊點中產(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)氧樹脂／玻璃纖維基板的CTE則為15×10-6℃-1。溫度變化時，焊點將承受一定的應(yīng)力和應(yīng)變。一般焊點所承受應(yīng)變?yōu)?％～20％。在THT工藝中，器件的柔性引腳會吸收由于熱失配而引起的大部分應(yīng)變，焊點真正承受的應(yīng)變是很小的。而在SMT中，應(yīng)變基本由焊點來承受，從而會導(dǎo)致焊點中裂紋的萌生和擴展，最終失效。