電子元件可靠性課件

1、可靠性l可靠性基本概念：l產(chǎn)品在規(guī)定的時間、規(guī)定的條件下，完成規(guī)定功能的能力。l可靠性量化定義-可靠度（概率R）可靠度R(t):表示在規(guī)定的條件下使用一段時間t后，完成規(guī)定功能的概率。累積失效概率F（t）：表示產(chǎn)品在規(guī)定條件下工作到t這段時間內(nèi)的失效概率。F(t)+R(t)=1浴盆曲線可靠性水平的描述：威布爾分布（weibull）失效率較高，但失效率隨時間增加而下降。良好的使用階段。壽命即將終止。焊點的基本作用-互連機械支撐：固定元器件電氣連接：傳導(dǎo)電信號引腳數(shù)越來越多單位面積的發(fā)熱量越來越大引腳間距越來越小導(dǎo)致焊點尺寸越來越小焊點就稱為最薄弱的環(huán)節(jié)焊點的可靠性問題也越來越突出。由于環(huán)保的要求

2、 ，采用無鉛焊料，主要以錫基為主的焊料合金，如Sn-0.7Cu Sn-3.5Ag 、Sn-3.5Ag-0.5Cu（SAC305）等無鉛焊料，其中以SAC305作為凸點焊料廣泛應(yīng)用，以實現(xiàn)芯片與基板的冶金和電氣互連。如果焊點不可靠。可靠性試驗的基本內(nèi)容l 根據(jù)焊點的主要失效模式與可能遇到的環(huán)境應(yīng)力來確定：焊點的可靠性試驗標準l IPC-SM-785 Guidenlines for Acclelrated Reliability Testing of Surface Mount Attachments表面安裝焊接件加速可靠性試驗導(dǎo)則l IPC-9701 Performance Test Metho

3、ds and Qualification Requirements for Surface Mount Solder Attachments 表面安裝焊件性能試驗方法與鑒定要求l IPC-TM-650 Test Methods Manual實驗方法手冊主要的可靠性試驗方法焊點的主要失效模式l 主要失效模式：l熱失效（熱循環(huán)、熱沖擊）l機械失效（過載與沖擊失效、振動失效）l電化學(xué)失效（電偶腐蝕、枝晶生長、導(dǎo)電陽極絲（CAF）生長、錫須）芯片鍵合l影響芯片鍵合熱疲勞壽命的因素l芯片尺寸 尺寸越大，由熱膨脹導(dǎo)致的塑性應(yīng)變越大l焊點形狀（鼓形壽命最低，腰鼓形最高） 影響焊點內(nèi)部的應(yīng)力分布和塑性應(yīng)變范圍

4、l界面的金屬間化合物 脆性的金屬間化合物可能影響疲勞壽命l釬料合金的力學(xué)性能 合金的蠕變特性是影響熱疲勞壽命的關(guān)鍵因素可能的芯片開裂的模型1是由彎曲應(yīng)力引起的芯片中間開裂2是由邊緣應(yīng)力引起的芯片拐角開裂當(dāng)芯片邊緣存在切割時留下的劃痕及毛刺是，失效更容易發(fā)生。隨著老化時間的延長，金屬間化合層的厚度逐漸增加，強度有所降低。封裝互連l 工藝可靠性l 生產(chǎn)組裝過程l 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l 服役過程l 由于不可避免的沖擊、振動等也會造成焊點的機械損傷。l 過度的超聲波清洗也可能對焊點的可靠性有影響。

5、IMC對焊點可靠性的影響l 當(dāng)熔融的焊錫與焊盤和元器件焊端金屬相接觸時，在界面會形成金屬間化合物（Inter Metallic Compounds）。l 由于金屬間化合物熔點高，晶體結(jié)構(gòu)對稱性較低，比較脆。 l 優(yōu)點：金屬間化合物的形成是焊接質(zhì)量可靠的標志，良好的焊點連接（3um）l 缺點：過厚的金屬間化合物層的存在會導(dǎo)致焊點斷裂、韌性和抗低周疲勞能力下降，從而導(dǎo)致焊點的可靠性降低。BGA結(jié)構(gòu)SAC305/Cu焊點在217度等溫失效后界面IMC顯微組織5分鐘240分鐘120分鐘30分鐘柯肯達爾空洞（Kirkendall void）（隨著時效時間的延長，空洞組件增多，其分布位置也逐漸由Cu6Sn

6、5層向Cu3Sn層轉(zhuǎn)移）會使焊點強度降低，Cu6Sn5相和Cu3Sn相的熱膨脹系數(shù)差異過大，在溫度載荷作用下，兩相界面的區(qū)域容易成為應(yīng)力集中區(qū)。晶界溶蝕程度逐漸加深，晶界凹槽逐漸向下延伸界面Cu6Sn5兩晶粒間已經(jīng)基本斷開，其晶界凹槽低端幾乎與Cu基底接觸BGA結(jié)構(gòu)SAC305/Cu焊點在230度等溫失效后界面IMC顯微組織5分鐘240分鐘120分鐘30分鐘在相同時效時間下，焊點界面處Cu6Sn5晶界溶蝕程度減弱，同時柯肯達爾空洞幾乎僅出現(xiàn)在Cu3Sn層內(nèi)。l 片狀的Ag3Sn會對焊點延展性和抗疲勞造成不利影響。而它的形成取決于：l Ag的濃度：高濃度Ag有利于Ag3Sn的形成，故Ag的含量最

7、好低于3wt%。l 冷卻速率：Ag3Sn的生長需要液相中Ag和Sn原子的擴散，相對較慢的冷卻速率會賦予Ag3Sn生長的時間更長。l Cu的含量：焊點中銅的含量會促進大片裝的生產(chǎn)。溫度循環(huán)l 影響焊點長期可靠性的一個重要因素是焊點在溫度變化過程中的失效。在不斷的升降溫過程中，由于各種材料的熱膨脹系數(shù) (CTE) 不同 。使得焊料 、基板承受不同的應(yīng)力應(yīng)變 ，導(dǎo)致器件變形。焊點在溫度循環(huán)過程中反復(fù)的應(yīng)力應(yīng)變將導(dǎo)致焊點中裂紋的萌生和擴展，最終導(dǎo)致焊點的失效 。按IPC試驗標準，采取如下方法：低溫: 0 C, 10 分鐘 高溫:100 C 10 分鐘分鐘降溫冷卻到低溫1.整個循環(huán)時間約在一個小時左右

8、l 1.在溫度循環(huán)過程中界面會出現(xiàn)分層現(xiàn)象，此時在Cu6Sn5和Sn之間出現(xiàn)了Cu3Sn層。隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加，Cu3Sn層的厚度明顯增加l 2.溫度循環(huán)對力學(xué)性能的影響l 隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加， 焊點的拉伸力明顯下降。l 主要是在熱循環(huán)過程中由于IMC不斷長大， 由于IMC的生成會在焊點內(nèi)部留下“ 空洞” 等缺陷， 在拉伸過程中，“ 空洞” 會演化成裂紋源， 從而導(dǎo)致焊點拉伸力的下降。l 溫度循環(huán)（熱沖擊）晶須的發(fā)生和生長l Sn晶須生長的基本動力是在室溫附近的Sn或者合金元素的異常迅速的擴散。l 溫度循環(huán)晶須的生長是因為溫度循環(huán)試驗時產(chǎn)生應(yīng)力高速變化的鍍層變形，晶須高速生長。 在服役過

9、程中，在循環(huán)應(yīng)力的作用下，大塊脆性的Ag3sn會導(dǎo)致在焊點中產(chǎn)生缺陷，引起應(yīng)力集中，降低焊點的強度和循環(huán)壽命。l 錫須的分類冷卻速率的影響焊點的自然凝固焊點的自然凝固 凝固結(jié)晶是物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。金屬的凝固過程再流焊接過程中也會存在一定的可靠性問題，以下著重說一下冷卻速率的影響。液態(tài)金屬冷卻到凝固溫度時，首先產(chǎn)生晶核，繼續(xù)冷卻，晶核吸收周圍的原子而長大，同時新的晶核不斷形成和長大，使相鄰晶體彼此接觸，液態(tài)金屬完全消失，得到許多形狀、大小和晶格位向不相同的小晶粒組成的多晶體。從凝固過程的實時觀測可知， Sn-Ag-Cu共晶液滴的凝固從周邊開始，瞬間即到達中央，最終凝固的是頂上白色的部分

10、 由于液滴的凝固從周邊開始，如果冷卻速率過快，在樹枝晶生長過程中會產(chǎn)生很大的應(yīng)力，于是產(chǎn)生熱裂紋，在最終凝固區(qū)發(fā)生縮松和龜裂。 但是冷卻速率也不易過低，因為高的冷卻速率可以使微觀組織細化，提高焊點的強度。l 由于微連接的特殊性，使焊縫金屬在結(jié)晶過程中，由于來不及擴散而存在著嚴重的化學(xué)成分的不均勻性。l 在焊縫內(nèi)部，存在著嚴重的顯微偏析和區(qū)域偏析，尤其是在母材與焊料的界面，由于液/固相之間的相互溶解和擴散，存在著嚴重的成分偏析。l 焊點剝離，無鉛合金的熱膨脹系數(shù)和基板之間的差別大，導(dǎo)致焊點固化時在剝離部分由太大的應(yīng)力而使它們分開。l 一方面較大的冷卻速度能夠抑制偏析，從而抑制剝離；l 另一方面冷

11、卻速度越大，焊料的變形速率越大，越易于促進焊點開裂。另外，必須在焊料液相線溫度以上采取急冷措施才能有效抑制偏析。l 冷卻速率對機械性能 、潤濕性能 、抗蠕變性能和焊點循環(huán)壽命等有影響。板狀的Ag 3Sn較硬，當(dāng)Ag含量超過3.2wt%以后（出現(xiàn)過共晶成分）拉伸強度降低，容易造成疲勞壽命降低。 在再流焊接熔化過程中快速長大，而且銀含量越高，板狀的Ag3Sn相越多。 若減小焊后冷卻速率，板狀的Ag3Sn可以穿過整個焊接接頭的橫截面，嚴重影響了接頭在承受熱應(yīng)力是的力學(xué)性能。金對焊點可靠性的影響l 由于金優(yōu)良的穩(wěn)定性和可靠性，成為最常用的表面鍍層金屬。l 作為焊料里的雜質(zhì)，金對焊料的延展性是非常有害的。l 因為焊料中會形成脆性的Sn-Ag金屬間化合物（AuSn4）。l 雖然低濃度的AuSn4能提高焊料的機械性能，當(dāng)超過4%時，拉伸強度和失效時的延伸量都會迅速下降。無鉛焊料的表面處理有OSP 化學(xué)鎳金、化學(xué)、熱風(fēng)整平、化學(xué)鍍錫等。環(huán)境和化學(xué)因素l環(huán)境 電子封裝工作時產(chǎn)生的直流電位、溫度 水分吸附于材料表面，溶解及其、空氣中的離子物質(zhì) 封裝材料的核輻射如氧化鋁陶瓷的a粒子輻射 塑料封裝為非氣密性封裝l化學(xué)失效機理： 電化學(xué)腐蝕 應(yīng)力腐蝕斷裂 應(yīng)力腐蝕疲勞l結(jié)果： 封裝內(nèi)部引線鍵合界面發(fā)生腐蝕失效 腐蝕導(dǎo)致互連線截面積減小，