62Sn36Pb2Ag组装焊点长期贮存界面化合物生长动力学及寿命预测

2023-01-20 09:00冯佳运田艳红
工程科学学报 2023年3期
关键词:钎料引线焊点

张 贺,冯佳运,丛 森,王 尚,安 荣,吴 朗,田艳红✉

1) 哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室,哈尔滨 150001 2) 中国工程物理研究院电子工程研究所,绵阳 621900

电子器件的封装互连结构中广泛存在着大量的Sn基合金焊点,如芯片−基板、基板−印制电路板(PCB)之间的相互连接[1−6],这些互连接头是连接电子产品各部件、实现电子器件功能化复杂化的关键部位.尽管在2006年7月欧盟颁布实施的《关于限制在电子电气设备中使用某些有害成分的指令》中禁止了含铅钎料在消费电子领域中的应用,但在航空航天、医疗健康等一些对可靠性需求较高的领域,含铅钎料仍然不可取代[7].Sn63Pb37共晶钎料是最为常用的一种含铅钎料,它在Au、Ag、Cu、Ni等基板表面均具有优异的润湿性能[8],但是其剪切强度较低、抗腐蚀性能差.为解决以上问题,目前业界多采用62Sn36Pb2Ag作为互连材料,这种接近饱和状态(Ag在Sn-Pb共晶钎料中的溶解度约为3%)的银含量可以有效抑制界面附近脆性Ag3Sn相富集,提高耐蚀性能,弥散分布的Ag3Sn相可以对接头强化,提高焊点的力学性能[9];并且银元素的添加还可以使熔点下降,降低回流温度,62Sn36Pb2Ag 的熔点仅为 178 °C.然而,目前关于62Sn36Pb2Ag钎料互连接头可靠性的研究仍然十分有限.

在电子产品的整机故障中,近50%由焊点的失效引起[10].大量的研究指出互连接头性能的衰退往往与互连界面的金属间化合物(IMC)演变行为息息相关,过厚的IMC会使得连接不够可靠,诱导裂纹及缺陷的形成导致失效[11−13].即使在不施加外部载荷的长期贮存过程中,焊点也会因为内部界面IMC的生长及演变而发生失效.因此,焊点的长期贮存寿命预测是电子产品可靠性分析的重要组成部分.众多的研究者对Cu与Sn基钎料之间的界面反应及焊点强度等行为进行了深入的研究.大连理工大学Qiao等[14]用准原位的方式成功建立了温度梯度下β-Sn晶粒取向与IMC生长的关系.南昌大学 Wang 等[15]、Gui等[16]发现 Ni改进的多壁碳纳米管(MWCNTs)以及Cu改进的石墨烯可以抑制SAC305/Cu界面处IMC的生长,提高焊点强度.上海工程技术大学Wang等[17]发现在纯Sn钎料中掺杂少量的Ni元素便可以抑制Ni3Sn4的生长,改善微焊点性能.

有限元仿真分析可以避免复杂昂贵的可靠性试验,且成本低廉,是目前应用最为广泛的焊点寿命预测方式之一[9−12,18−21].例如,金玲玥等[22]利用有限元仿真和修正的Coffin-Manson寿命预测方程对平面网格阵列封装(LGA)焊点的热疲劳寿命进行了预测.在我们之前的研究中,基于ANSYS软件对PCB组装板级多器件跨尺度焊点的疲劳寿命进行了有限元计算[23].尽管学术界和产业界的研究者们提出了各种各样的焊点寿命预测模型,这种方式的预测精度仍然有限,往往为实际寿命的2~3倍[24].焊点材料的非线性性能变化规律、形状、结构均会对失效寿命带来影响,这些参数难以完全在有限元中模拟.因此,这种方式的寿命预测精度难以取代试验.

焊点的失效主要是由于硬脆的金属间化合物层的过度积累导致缺陷的萌生与扩展[25−26],因此可以选取IMC层厚度作为关键性能退化参数对焊点寿命进行预测.然而,室温贮存试验时间往往需要持续20年以上,如此长的试验周期势必会带来昂贵的时间及经济成本.由于界面IMC生长行为主要由扩散过程控制,因此可以采用提高贮存温度的方式加快其生长速率,结合寿命预测分布模型,从而加速贮存可靠性试验的进程,进而实现快速、准确的焊点失效寿命预测[27−28].

本文采用高温加速试验系统地研究了62Sn36-Pb2Ag钎焊小型方块平面封装(QFP)器件焊点的双侧IMC生长动力学行为,基于阿伦尼乌斯方程建立了双侧IMC生长动力学模型,并以其作为关键性能退化函数,通过对初始IMC厚度进行正态分布拟合获得失效密度函数,进而获得可靠度函数,对焊点的失效寿命进行预测.

1 试验材料与方法

首先采用再流焊的方式以62Sn36Pb2Ag为钎料将QFP器件组装于PCB板表面,QFP器件引线为纯Cu,PCB板表面焊盘为化学镍金焊盘.再流焊过程中峰值温度为210~220 °C,峰值温度时间为 60~90 s,冷却速率为 60~70 °C·min−1.根据倒数等间距原则,分别在94、120和150 °C进行试验,贮存时间分别设定为 1、4、9、16、25、36和49 d.样品经过打磨抛光后,在表面喷镀一层薄薄的金层,采用扫描电子显微镜(SEM,Quanta200FEG,FEI)对焊点的微观形貌进行观察,金属间化合物层厚度采用Photoshop软件进行测试.

2 结果与分析

2.1 62Sn36Pb2Ag 焊点初始微观组织分析

图1展示了经过再流焊之后的焊点的微观组织,QFP器件的Cu引线与PCB板表面的化学镍金焊盘界面连续,引线与焊料润湿良好,无孔洞、裂纹等明显组织缺陷,说明再流焊工艺参数合理.进一步放大观察,如图1(b)所示,富Pb相均匀地分布于整个焊点,焊点组织细密均匀.图1(c)和 1(d)分别展示了Cu引线侧与PCB侧的界面微观组织.在Cu引线侧,在Cu引线与钎料之间,除了观察到一层扇贝状的Cu6Sn5层外,还观察到一层薄薄的Cu3Sn层;而在PCB板侧仅观察到(CuxNi1-x)6Sn5层,且厚度远小于Cu引线侧,这也说明镍阻挡层有效地控制了界面反应的进行程度.

图1 再流焊后焊点微观组织形貌.(a) 整体形貌; (b) 焊点位置放大; (c) Cu 引线侧界面放大; (d) PCB 侧界面放大Fig.1 Microstructure morphology of the solder joint after reflow soldering: (a) overall view; (b) enlarged image at the solder joint; (c) enlarged image at the interface between Cu and the solder; (d) enlarged image at the interface between Cu/Ni/Au and the solder

2.2 62Sn36Pb2Ag 焊点界面金属间化合物生长动力学

如上文所示,QFP焊点Cu引线侧和PCB侧出现了不同种类的IMC,Cu引线侧主要为Cu6Sn5及Cu3Sn;PCB侧,由于镍元素的扩散,形成了 (CuxNi1-x)6Sn5金属间化合物.图2和图3分别展示了在不同贮存温度和贮存时间下Cu引线侧和PCB侧在贮存过程中,两侧的IMC的生长行为.对于Cu引线一侧,由于没有镍阻挡层的存在,Cu引线和钎料中Sn元素直接接触反应,IMC的厚度增长高于PCB 侧,在150 °C 下贮存 49 d 时,Cu 引线侧的 IMC厚度接近12 μm,而在PCB侧,在整个贮存期间,IMC层厚度都保持在较小范围.

图2 不同贮存温度及贮存时间下Cu引线侧界面微观组织Fig.2 Microstructure at the Cu lead side interface after storing at different temperatures for different times

图3 不同贮存温度及贮存时间下PCB侧界面微观组织Fig.3 Microstructure at the Cu lead side interface after storing at different temperatures for different times

基于QFP焊点界面处IMC层的微观组织图片,采用Photoshop软件统计并计算了不同老化温度及时长下IMC层的厚度数据.在高温贮存试验中,界面IMC层的生长主要由扩散过程主导.随时间延长,IMC的厚度增加.虽然在120 ℃时观察到存储1 d后的IMC厚度较大,这是由于初始回流焊后焊点本身的IMC比较厚所导致,并不影响整体IMC厚度的增长趋势.此时,IMC生长按Fick定律决定的抛物线型规律进行,也就是生长速率应与时间的平方根成正比,即满足时间幂函数关系.

其中,x为金属间化合物厚度,m;x0为金属间化合物初始厚度,m;k为扩散系数,m2·s−1;t为时间,s.对IMC厚度散点图进行线性拟合,如图4所示,进而得出三种温度下PCB侧和元器件侧IMC厚度生长曲线方程:

图4 不同温度下焊点双侧界面处 IMC 厚度随时间平方根变化.(a~c) Cu 引线侧; (d~f) PCB 侧Fig.4 Variation of the IMC thickness with the increase of the square root of the aging time at different sides and temperatures: (a–c) Cu lead side; (d–f)PCB side

Cu引线侧:

PCB侧:

对比同侧IMC的生长速率,不难观察到,随着贮存温度的升高,IMC的生长速率加快,曲线的斜率逐渐增加,这是由于高温下原子的扩散速率更快所导致.

由于扩散系数k是温度的函数,其和温度的关系可以用阿伦尼乌斯方程来表示,即

其中,A为常数;Q为扩散激活能,J·mol−1;R为气体常数;T为绝对温度,K.

故而有

另外,将式k=Aexp(−Q/RT)两边取对数, 根据三种温度下三条拟合曲线的斜率,可作lnk−1/T图,如图5示,通过曲线拟合可得截距及斜率,可确定Cu引线侧界面处IMC生长动力学方程为:

图5 贮存试验中不同侧 IMC 生长的阿伦尼乌斯图.(a) Cu 引线侧; (b) PCB 侧Fig.5 Arrhenius plot for the growth of IMCs during storage at different sides: (a) Cu lead side; (b) PCB side

同理,可获得PCB侧的IMC生长动力学方程为:

2.3 62Sn36Pb2Ag 焊点寿命预测

选取IMC厚度为关键性能参数,IMC生长动力学方程为关键性能退化函数,对QFP焊点的失效寿命进行了预测.从其生长动力学方程可以看出,引线侧IMC的激活能与PCB侧相差不大,说明两侧焊点相差不大,我们选取了PCB侧进行失效寿命预测.首先对未进行高温贮存的QFP焊点PCB侧界面IMC厚度进行了统计分析,进一步进行高斯分布拟合,所得概率密度函数如式(12)所示:

结合QFP焊点PCB侧IMC生长动力学方程和3.5 μm的失效判据可以得到焊点可靠度R(t),图6为可靠度随贮存时间t的变化曲线,从图中可以看出QFP焊点的中位寿命t0.5为16092 a,特征寿命t1/e为17471年.

图6 焊点可靠度随贮存时间变化Fig.6 Variation of reliability with aging time

3 结论

本文系统地研究了62Sn36Pb2Ag组装的QFP器件焊点的界面IMC的生长动力学,主要得出以下结论:

(1)回流焊后,Cu引线侧形成了Cu6Sn5和Cu3Sn两种 IMC层,由于PCB侧的焊盘为化学镍金焊盘,形成的IMC层为(CuxNi1-x)6Sn5,高温贮存过程中富铅相均匀弥散地分布在焊点内,且无明显的空洞裂纹等组织缺陷出现.

(2)高温贮存过程中IMC的生长主要由扩散控制,其厚度与时间的平方根成正比.由于高温下具有更快的原子扩散速率,高温下界面IMC的生长速度更快.基于阿伦尼乌斯方程建立了高温贮存过程中双侧界面的IMC生长动力学模型.

(3)选取IMC厚度为关键性能退化参数,IMC生长动力学方程为关键性能退化函数.通过对初始IMC厚度进行正态分布拟合获取失效密度函数,结合关键性能退化函数获得可靠度函数,结果表明QFP焊点的中位寿命t0.5为16092年,特征寿命t1/e为17471年.

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