電子封裝中的焊點(diǎn)及其可靠性

1、科技動態(tài)電子封裝中的焊點(diǎn)及其可靠性王謙1, Sh i 2W ei R icky L EE 2, 汪剛強(qiáng)1, 耿志挺1, 黃樂1, 唐祥云1, 馬莒生1(11清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系, 北京100084; 21香港科技大學(xué)機(jī)械工程系, 中國香港摘要:在電子封裝中, 焊點(diǎn)失效將導(dǎo)致器件乃至整個系統(tǒng)失效, 焊點(diǎn)失效的起因是焊點(diǎn)中熱循環(huán)引起的裂紋及其擴(kuò)展。從焊點(diǎn)的微觀組織及其變化、焊點(diǎn)失效分析、焊點(diǎn)可靠性預(yù)測等方面介紹了對電子封裝焊點(diǎn)及其可靠性研究的狀況。關(guān)鍵詞:電子封裝; 焊點(diǎn); 可靠性中圖分類號:TN 45文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:100122028(2000 0220024203為提高集成度,

2、減小器件的尺寸, 提高速度與自動化程度, 電子封裝中廣泛采用的S M T 封裝技術(shù)及新型的芯片尺寸封裝(CSP 、球陣列(B GA 等封裝技術(shù)均要求通過焊點(diǎn)直接實(shí)現(xiàn)異材間電氣及剛性機(jī)械連接(主要承受剪切應(yīng)變 。異材的熱膨脹系數(shù)不匹配將在服役過程中引起剛性機(jī)械連接焊點(diǎn)應(yīng)變; 焊點(diǎn)的服役環(huán)境溫度很高, 焊料的熔點(diǎn)溫度t s 一般為180300, 工作溫度可高達(dá)90150, 再結(jié)晶溫度(013015t s ; 溫 , 的微觀結(jié)構(gòu), 可以說焊點(diǎn)的強(qiáng)度, 。, 焊點(diǎn)的數(shù)目越來越多, 尺寸越來越小, 而一個焊點(diǎn)的失效就有可能造成器件整體的失效。對于電子封裝中焊點(diǎn)的失效原因, 目前比較普遍的看法 是:焊點(diǎn)中

3、熱循環(huán)引起的裂紋及其擴(kuò)展2。焊點(diǎn)可靠性研究引起了國際上的極大關(guān)注, 一直是研究熱點(diǎn)之一。在國內(nèi), 由于封裝技術(shù)落后, 對焊點(diǎn)可靠性的研究剛起步。可靠性研究的目的有兩個:首先要研究在焊接及焊點(diǎn)服役過程中, 哪些因素會影響焊點(diǎn)的可靠性, 從而給焊接工藝和焊點(diǎn)的設(shè)計(jì)提供依據(jù); 其次是研究焊點(diǎn)在服役過程中的變化規(guī)律, 從而找到焊點(diǎn)壽命的預(yù)測方法。以下介紹目前國際上的電子封裝焊點(diǎn)及其可靠性的研究情況。1高密度封裝中的焊料在標(biāo)準(zhǔn)工作環(huán)境下, 電子系統(tǒng)異材間的焊接目前一般采用Sn 2Pb 系焊料。其熔點(diǎn)范圍為180240, 有時為了改善合金的物理性能, 加入少量的其他金屬, 如:A g , A u 等?；w

4、含A g 時, 一般加A g , 一方面是為了減少基體的A g 在焊料中的溶蝕, 另一方面是在焊點(diǎn)中形成A g 3Sn 的微小顆粒, 釘扎位錯, 起到強(qiáng)化焊點(diǎn)的作用。加A u 的作用與加A g 相同。Sn 2Pb 系的焊料的優(yōu)點(diǎn)是熔點(diǎn)較低, 低成本, 釬焊性能、導(dǎo)電連續(xù)性和加工性能較好; 其缺點(diǎn)是剪切強(qiáng)度能較低, 鉛有毒性, 1, 焊料的熔點(diǎn), , 如Sn 2A g In B i , 但因受成本、技術(shù)及環(huán)境等因素的限。2焊點(diǎn)的微觀組織結(jié)構(gòu)及其變化2在熱循環(huán)過程中, 焊點(diǎn)的組織結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化, 影響焊點(diǎn)的可靠性。焊點(diǎn)的微觀組織結(jié)構(gòu)包括焊點(diǎn)本身的組織結(jié)構(gòu)和焊點(diǎn)與基體的界面層的組織結(jié)構(gòu)(見圖1。圖1

5、焊點(diǎn)的組織結(jié)構(gòu)Pb 2Sn 系焊料的組織結(jié)構(gòu)因Pb 和Sn 比例不同而略有差異。對于共晶焊料, 其平衡組織為共晶結(jié)構(gòu), 一般為層片狀組織; 對于非共晶組織, 則是在共晶組織結(jié)構(gòu)基體上分布著分散的第二相固溶體。最終尺寸, 因焊接過程中的冷卻速度不同而不同3。焊接過程中, 焊料中的助劑受熱后揮發(fā)且未能在焊料表面收稿日期:1999209220修回日期:1999211201作者簡介:王謙(1973- , 男, 湖北黃崗人, 博士研究生, 從事高密度封裝中的相關(guān)工藝及理論的研究。凝固前溢出, 因而焊點(diǎn)內(nèi)一般存在大量的孔洞。這些孔洞會在焊點(diǎn)內(nèi)局部形成應(yīng)力集中, 降低焊點(diǎn)的可靠性。在焊點(diǎn)形成過程中, 焊料金

6、屬與基體金屬(或鍍層材料 在高溫作用下相互溶融, 產(chǎn)生硬而脆的金屬間化合物層。它的熱膨脹系數(shù)與基體金屬的不同, 往往導(dǎo)致焊料開裂。由Cu 和Sn 相圖可知, Pb 2Sn 焊料與Cu 基體焊接所形成的界面應(yīng)有兩種金屬間化合物, 即相(Cu 3Sn 和相(Cu 6Sn 5 。生成何種金屬間化合物取決于Cu 和Sn 的相對濃度。Pb 2Sn 共晶焊料等Sn 含量較高的焊料一般會生成兩層界面; 靠近Cu 端處, 富Cu ,為相(Cu 3Sn ; 靠近焊料端處, 富Sn , 為相(Cu 6Sn 5 。95Pb 25Sn 等Sn 含量較低的焊料的界面層為相(Cu 3Sn 。界面層應(yīng)連續(xù)完整。不連續(xù)碎片系

7、不正確拋光方法所致。厚度取決于焊接溫度及時間, 一般為十幾m 4。界面層的形成導(dǎo)致焊點(diǎn)中Sn 含量降低。Sn 起調(diào)節(jié)焊料熔點(diǎn)的作用, 同時又作為顆粒元素來強(qiáng)化焊點(diǎn)。Sn 的減少必然會導(dǎo)致焊點(diǎn)強(qiáng)度的降低。在服役過程中, 焊點(diǎn)組織結(jié)構(gòu)一般發(fā)生兩種變化:界面層增厚和焊點(diǎn)組織粗化。211界面層增厚界面層厚度是衡量焊點(diǎn)失效程度的一個參量4。厚度越大, 越容易斷裂。其生長速率遵循以下關(guān)系:d t=A x -n(1式中:x 為界面層厚度; n 為實(shí)驗(yàn)常數(shù):A =A 0e -Q R T; Q 為活化能。n =12, 說明界面層生長取決于擴(kuò)散機(jī)制n 1 3, 界面層生長取決于界面反應(yīng)機(jī)制。, 2125, 焊點(diǎn)高

8、剪應(yīng)變區(qū)組織逐漸沿平行剪應(yīng)力方向產(chǎn)生不均勻粗化, 富Pb 和富Sn 相也會發(fā)生粗化。高應(yīng)變區(qū)組織粗化較明顯, 而界面層不產(chǎn)生粗化。隨著循環(huán)次數(shù)的增多, 粗化區(qū)區(qū)域逐步擴(kuò)大。在高溫和低溫?zé)嵫h(huán)中均會發(fā)生這種不均勻粗化, 溫度的改變對這種不均勻粗化影響很大。焊點(diǎn)組織的不均勻粗化是應(yīng)變分布不均勻引起的, 晶粒長大的驅(qū)動力是應(yīng)變能。這種不均勻粗化是溫度與應(yīng)變共同作用的結(jié)果。如果能夠找到一個衡量粗化的參數(shù), 那么它也是一個衡量焊點(diǎn)可靠性的重要參數(shù)。3焊點(diǎn)失效分析焊點(diǎn)在實(shí)際工作過程中的失效過程一般為:塑性變形裂紋萌生裂紋擴(kuò)展失效。從焊點(diǎn)實(shí)際經(jīng)受的溫度來看, 焊點(diǎn)發(fā)生了蠕變變形; 而從器件頻繁開關(guān)來看, 由

9、于熱膨脹系數(shù)不匹配, 焊點(diǎn)經(jīng)受了熱循環(huán)沖擊。因而有學(xué)者側(cè)重于從疲勞失效角度建立模型6, 而另一些學(xué)者則側(cè)重于從蠕變失效角度建立模型7, 也有人認(rèn)為失效是蠕變和循環(huán)的共同作用89。Boon W ong 7等人認(rèn)為焊點(diǎn)的主要表現(xiàn)是蠕變行為。他們建立的模型是:裂紋在富Pb 、富Sn 相的相界處萌生; 在裂紋尖端應(yīng)力場的作用下, 通過沿晶蠕變, 空洞擴(kuò)展, 最后被破壞。A 1I 1A ttar w ala 等人在熱循環(huán)失效后的焊點(diǎn)斷面上發(fā)現(xiàn)了循環(huán)條紋和穿晶裂紋, 因此他們認(rèn)為, 電子封裝中的焊點(diǎn)在熱循環(huán)下的失效為蠕變和循環(huán)的共同作用8。Peter M 1H all 認(rèn)為, 在任意溫度下, 焊點(diǎn)同時經(jīng)歷

10、蠕變和應(yīng)力松弛, 他稱之為應(yīng)力還原(stress reducti on 9。R 1W 1Rohde 等人認(rèn)為:對于焊點(diǎn)而言, 應(yīng)力是幫助熱激活的位錯在處于應(yīng)變強(qiáng)化和再結(jié)晶過程中的晶體結(jié)構(gòu)中滑動的動力。在此基礎(chǔ)上建立了應(yīng)力松弛模型10。綜合以上看法, 清華大學(xué)材料系電子材料課題組建立了循環(huán)2蠕變交互作用模型(物理模型 12:焊點(diǎn)的熱循環(huán)中主要存在循環(huán)損傷和蠕變損傷(包括應(yīng)力松弛 。在一定的條件下, 兩種損傷交互作用, 蠕變會加速循環(huán)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, 這種交互作用會加劇損傷, 使循環(huán)壽命大大減少。4焊點(diǎn)可靠性預(yù)測過去對焊點(diǎn)失效的分析以及可靠性預(yù)測是靜態(tài)的

11、, 而實(shí)際上, 在服役過程中, 焊點(diǎn)的組織結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化, 而這種變化必然會影響焊點(diǎn)機(jī)械性能。焊點(diǎn)組織結(jié)構(gòu)對其機(jī)械性能影響主要有以下三方面。(1 焊點(diǎn)的微觀組織、相的種類、分布和尺寸以及缺陷密度決定其機(jī)械性能;(2 焊點(diǎn)組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作于高溫、在低周載荷下變形、受力狀態(tài)復(fù)雜, 因而焊點(diǎn)內(nèi)的變形一般都是不均勻的;(3 由于工作溫度高, , 經(jīng)常發(fā)生變化2。, 以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對, , 如用雙懸臂(a doub le can tilever beam sp eci m en 計(jì)算得J 積分、背面應(yīng)變片技術(shù)(backface strain techno logy 測應(yīng)變、彎曲剝離技術(shù)(flexu ral

12、 p eel techno logy 測裂紋擴(kuò)展速率、雙試樣片樣品測熱循環(huán)過程中的應(yīng)力2應(yīng)變滯后環(huán)、云紋干涉法(F racti onalF ringe M oire In terfer m etry:FF M I 測殘余應(yīng)變等, 在此基礎(chǔ)上, 構(gòu)造出一定的物理模型并對此模型進(jìn)行有限元計(jì)算, 并將其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。焊點(diǎn)失效機(jī)理的研究對于循環(huán)壽命的預(yù)測非常重要, 是建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)。預(yù)測焊點(diǎn)壽命的主要手段, 是在模型及其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立了經(jīng)驗(yàn)公式。目前主要有2:(1 Coffin 2M an son 方程認(rèn)為焊點(diǎn)失效的主要原因?yàn)槁谑? 焊點(diǎn)所受總應(yīng)變t 包括彈性應(yīng)變e 和塑性應(yīng)

13、變p 兩個部分:t =e +p =E f b+2f Nfc(2式中:f 為疲勞強(qiáng)度系數(shù); N f 為疲勞壽命; b 和c 是實(shí)驗(yàn)常數(shù)。對焊點(diǎn)而言, e 遠(yuǎn)小于p 以至可以忽略; 從而得到:N f =2(2f c (3 式中:f 為疲勞韌性系數(shù); f 和c 均為實(shí)驗(yàn)常數(shù)。還可根據(jù)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 對此方程進(jìn)行修正。(2 應(yīng)變范圍分割法(Strain 2R ange Partiti on ing 認(rèn)為非彈性應(yīng)變是由蠕變應(yīng)變和塑性應(yīng)變兩部分組成; 得到關(guān)系:Nf=6i , j =p , ci , j =p , c N ij(4式中:p 為塑性應(yīng)變; c 為蠕變應(yīng)變; pp 指拉壓循環(huán)中均為塑性應(yīng)變;

14、 cp 在拉伸過程中為蠕變應(yīng)變, 在壓縮過程中為塑性應(yīng)變; p c 在拉伸過程中為塑性應(yīng)變, 壓縮過程中為蠕變應(yīng)變; cc在拉伸過程和壓縮過程中均為蠕變應(yīng)變; F ij 為ij 類型分量占總非彈性分量的分?jǐn)?shù); N ij 為ij 類型分量在給定應(yīng)變范圍內(nèi)的壽命。(3 線彈性斷裂力學(xué)(L inear E lastic fractu re M echan ics 假設(shè)熱循環(huán)裂紋的擴(kuò)展主要取決于C 3和J 積分11。以上的一些預(yù)測方法實(shí)際上都是建立在一系列的假設(shè)基礎(chǔ)上, 而且都需要用實(shí)驗(yàn)對其中的參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn), 都不是很理想的壽命預(yù)測方法。5結(jié)語電子封裝中焊點(diǎn)的可靠性是電子元器件可靠性的關(guān)鍵。研究金屬化

15、層的結(jié)構(gòu)與厚度、焊點(diǎn)在服役過程中組織粗化和機(jī)械性能變化及控制焊點(diǎn)內(nèi)洞等對于了解焊點(diǎn)的可靠性及壽命的估算具有重要意義。參考文獻(xiàn):1Ye L ilei, L ai Zonghe, L iu Johan, et a l . M icro structual investigati onof Sn 2Cu 2A g and Sn 2A g 2B so lder j o ints A . P roceedings of 99Internati onal Sympo sium on E lectronic Packaging C . Shanghai :Shanghai Institute of M et

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22、(4 :164169.(編輯:高衛(wèi)寧供需信息轉(zhuǎn)讓鋁電解電容器專用設(shè)備因企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整, 特轉(zhuǎn)讓日本引進(jìn)鋁電解電容器生產(chǎn)設(shè)備CS -205型自動老化分選機(jī)一臺, FS 80型切箔機(jī)一臺, S200B 鉚接機(jī)3臺, S 750A 鉚接機(jī)2臺, W S 200卷繞機(jī)3臺, W T S 750B 卷繞機(jī)2臺, CS 1A 熱縮卷邊機(jī)7臺。價格面議。有意者請來電來函聯(lián)系。浙江溫州電訊廠聯(lián)系地址:溫州市黎明西路6號電話:(0577 8843101傳真:(0577 8844534聯(lián)系人:林政偉匯集精品附加資料掌中寶典永久珍藏99年電子電腦報刊合訂本聯(lián)合征訂書名定價99年電腦報合訂本(上下冊 35元99年電

23、子報合訂本(上下冊 35元99年軟件報合訂本38元99年電子電腦報合訂本(上下冊 44元99年電子文摘報合訂本(上下冊 35元99年家庭電子合訂本33元99年北京電子報合訂本(上下冊 32元99年音響技術(shù)合訂本32元99年家電檢修技術(shù)合訂本43元99年家電維修合訂本(上下冊 38元99年音響維修合訂本(上下冊 40元99年電視機(jī)維修合訂本(上下冊 40元99年錄像機(jī)維修合訂本(上下冊 40元99年汽車電器維修合訂本(上下冊 40元99年軟件發(fā)燒友合訂本48元99年軟件與光盤合訂本(上下冊 50元99年大眾軟件合訂本(全套四冊 76元99年電子游戲軟件合訂本(上下冊 56元99年電子制作合訂本3

24、8元99年電子工程師合訂本60元99年電子游戲與電腦游戲合訂本(上下冊 56元99年電腦愛好者合訂本(全套4冊70元99年家用電腦與游戲天地合訂本(上下冊 52元99年電腦游戲攻略合訂本25元99年電腦電子GAM E 之家合訂本(上下冊 56元99年電腦編程技巧與維護(hù)合訂本80元99年中國電腦教育報合訂本(上下冊 50元99年無線電與電視合訂本58元99年無線電技術(shù)合訂本(全套12冊 300元99年無線電制作合訂本(全套6冊 72元99年今日網(wǎng)絡(luò)合訂本(全套12冊 240元99年今日電腦合訂本(全套12冊216元請將購書款匯至:重慶建新東路42號重慶科潮電子圖書有限公司發(fā)行部, 郵編:4000

25、20, 免收郵費(fèi)。備有最新圖書目錄函索即寄。better sensibility and consistency can be acquired w hen the temperature and th ickness being accurately contro lled in p rocess 1(4refs 1Key words :SnO 2; gas senso rs ; th ick fil m techno logy ; fil m th ickness ; heat treatm ent ; sensibilityPerfor mance test of super doubl

26、e layer capac itors 1WAN G Guo 2qing 1, 2, L I N Zhong 2fu 2, Z UO W ei 2zhong 2, WAN G Shu 2xue 2(11N o rtheast Ch ina Institute of Sensing T echno logy , H aerbin H eilongjiang 150001; 21H ualong E lectronics Co 1, L td 1, D aqing H eilongjiang 163316 1EL ECT RON IC COM PON EN T S &M A T ER IA

27、 L S (Ch ina , V o l 119, N o 12, P 115216, 21(A p r 12000 1In Ch inese 1T h ree m ethods fo r testing static capacitance are p resented 1T hey are ti m e constant m ethod , constant current charge m ethod and constant current discharge m ethods 1T he first one is si m p ler and the o ther tw o are

28、mo re accurate 1T he m ethods fo r testing ESRand leakage current are also p resented 1(4refs 1Key words :double layer capacito rs ; static capacitance ; ESR ; leakage current ; test m ethodsD evelop m en t of auto matic sorti ng mach i nes for f il m capac itors made i n Ch i na 1CH EN D e 2hong (S

29、hanghai Siri E lectronic System Co 1, L td 1, Shanghai 200082 1EL ECT RON IC COM PON EN T S &M A T ER IA L S (Ch ina , V o l 119, N o 12, P 117218(A p r 12000 1In Ch inese 1Ch inese m ade fil m capacito rs so rting m ach ines have been develop ing w ith the developm ent of the capacito r techno

30、logy , from M odel XF 10, XF 10B , XF 10D to XF 10E 1T he new generati on w ill be vertical caterp illar track style 1(no refs 1 Key words :fil m capacito rs ; autom atic so rting m ach ines ; test frequency ; capacito r param eters 1The ferroelectr ic f ield effect tran sistor 1WAN G H ua 1, 2, YU

31、Jun 1, ZHOU W en 2li 1, WAN G Yun 2bo 1, X IE J i 2fan 1, ZHOU Dong 2xiang 1, ZHU L i 2li 1(11D epartm ent of E lectronic Science &T echno logy , H uazhong U niversity of Science &T echno logy , W uhan H ubei 430074; 21D epartm ent of E lectronic &Comm unicati on , Guilin Institute of E

32、lectronic techno logy , Guilin Guangxi 541000 1EL ECT RON IC COM PON EN T S &M A T ER IA L S (Ch ina , V o l 119, N o 12, P 119221(A p r 12000 1In 1T he structure , m emo ry p rinci p le and m anufacture techno logy of ferroelectric effect transisto are p resented 1T he i m p rovem ent of FFET s

33、tructure design and the app licati on of fil m FFET effects of ferroelectric fil m , transiti on layer , structure and fil m fo r m ati on techno logy on emo T he comm ents on p resent study on FFET and the exiting p roblem s are also given 1(19Key words :ferroelectric th in fil m ; ferroelectric fi

34、eld The -st ate -of -the -art of h igh te m 2song , Yang Bangchao (U niversity of E lectronic Science and T echno logy of Ch ina , EL ECT RON IC COM A T IA L (ina , V o l 119, N o 12, P 122223, 33(A p r 12000 1In Ch inese 1H igh r (S C M a p rom ising techno logy and it is regarded as the greatest i

35、nnovati on after the discovery of h 1T he com binati on of H T S and M C M is a good app roach to break th rough the interconnect bo 1T S M C M m eets the requirem ents of h igh speed , compactness and w ide bandw idth of future electronics 1T he study ach ievem ents of H T S M C M are review ed , t

36、he existing technical p roblem s summ arized , and the perspective of th is new techno logy is p resented 1(12refs 1Key words :M C M ; h igh temperature superconductivity ; interconnecti onSolder jo i n t i n electron ic packages and its reli ability 1WAN G Q ian 1, WAN G Gang 2qiang 1, Sh i 2W ei R

37、 icky L EE 2, GEN G Zh i 2ting 1, HUAN G L e 1, TAN G X iang 2yun 1, M a Ju 2sheng 1(11D epartm ent of M aterials Science and T echno logy , T singhua U niversity , Beijing 100084; 21D epartm ent of M echanical Engineering , Hong Kong U niversity of Science &T echno logy Hong Kong Ch ina 1EL ECT

38、 RON IC COM PON EN T S &M A T ER IA L S (Ch ina , V o l 119, N o 12, P 124226(A p r 12000 1In Ch inese 1Failure of a single so lder j o int in an electronic package m ay cause the overall failure of the device , even the w ho le system 1Failures of so lder j o ints usually result from the grow t

39、h of creep fatigue crack under ther m al cycling 1T he research of so lder j o ints and its reliability is introduced , w ith respects of so lder j o int m icro structure , failure analysis , reliability fo recast , etc (12refs 1 Key words :electronic packages ; so lder j o ints ; reliabilityI m prove m en t of pulse volt age ag i ng technology for A l electrolytic capac itors by orthogonal test 1WAN G Yu 2hua (Zhuhai Gelixinyuang E lectronic Component Facto ry , Zhuhai Guangdong 519020 1EL ECT RON IC COM PON EN