無鉛焊接材料性能

1、無鉛焊接材料性能焊錫作為所有三個(gè)連接級(jí)別：芯片(die)、封裝(package)和電路板裝配的連接材料。除此之外，錫/鉛焊錫普遍用于元件引腳和PCB勺表面涂層?？紤]到鉛(Pb)的既定角色，焊錫可分類為或者含鉛的或者無鉛的(lead-free)。現(xiàn)在，元件和PCEft無鉛系統(tǒng)中已經(jīng)找到可行的替代錫/鉛材料的表面涂層?？墒菍?duì)于連接材料，對(duì)實(shí)際無鉛系統(tǒng)的尋找還在進(jìn)行中。這里，將總結(jié)一下錫/鉛焊錫材料的基礎(chǔ)知識(shí)，以及焊接點(diǎn)的性能因素，后面有無鉛焊錫的一個(gè)簡(jiǎn)要討論。焊錫通常描述為液相溫度低于400C(750F)的可熔合金芯片級(jí)別(特別是倒裝芯片)的錫球的基本合金含有高溫、高鉛成分，如Sn5/Pb95或S

2、n10/Pb90。共晶或近共晶合金，如Sn60/Pb4RSn62/Pb36/Ag2和Sn63/Pb37,也已經(jīng)成功使用。例如，在載體CSP/BGAS板底面的錫球可以是高溫、高鉛或共晶、近共晶的錫/鉛或錫/鉛/銀材料。由于傳統(tǒng)電路板的材料如FR-4的溫度忍耐級(jí)別，附著元件和IC封裝的板級(jí)焊錫只局限于共晶、近共晶的錫/鉛或錫/鉛/銀焊錫。在有些情況中，使用了錫/銀共晶和包含胡(Bi)或錮(In)的低溫焊錫化合成分。焊錫可以各種物理形式應(yīng)用，包括錫條(bar)、錫錠(ingot)、錫線(wire)、錫粉(powder)、預(yù)成型(preform)、錫球(sphere)與柱、錫膏(paste)和熔化狀態(tài)

3、。焊錫材料的固有特性可在三個(gè)范疇內(nèi)考慮：物理、冶金和機(jī)械。物理特性對(duì)于今天的封裝和裝配，五個(gè)物理特性是特別重要的：11 .冶金學(xué)相轉(zhuǎn)變(phase-transition)溫度具有實(shí)際的意義。液相溫度認(rèn)為等于熔化溫度和固相線對(duì)軟化溫度。對(duì)于一個(gè)給定的成分，液相與固相之間的范圍叫做塑性或粘滯范圍。選作連接材料的焊錫合金必須適應(yīng)服務(wù)（最終使用）溫度的最壞條件。因此，希望合金具有至少高于所希望的服務(wù)溫度上限兩倍的液相線。隨著服務(wù)溫度接近液相線，焊錫一般在機(jī)械上和冶金學(xué)上變得“較弱”。2 .焊錫連接的導(dǎo)電性描述其在傳送電氣信號(hào)中的性能。從定義上，導(dǎo)電性是在一個(gè)電場(chǎng)中充電的離子（電子）從一個(gè)位置移動(dòng)到另一

4、個(gè)位置的運(yùn)動(dòng)。在金屬中以電子導(dǎo)電為主；離子負(fù)責(zé)氧化物和非金屬的導(dǎo)電。焊錫的導(dǎo)電主要是電子的流動(dòng)。電阻率-導(dǎo)電率的倒數(shù)-隨著溫度升高而增強(qiáng)。這是由于電子的可移動(dòng)性減少，隨著溫度升高電子的可移動(dòng)性直接與平均自由行程（mean-free-path）成比例。焊錫的電阻率也可受塑性變形程度的影響（增加）。3 .金屬的導(dǎo)熱性通常與導(dǎo)電性有關(guān)系，因?yàn)殡娮又饕?fù)責(zé)這兩樣。（可是，對(duì)絕緣體，以聲子活動(dòng)為主。）焊錫的導(dǎo)熱性隨著溫度增加而減少。4 .自從表面貼裝技術(shù)的開始，溫度膨脹系數(shù)（CTE,coefficientofthermalexpansion）問題已經(jīng)是最經(jīng)常討論的，原因是SMT接材料特性的CTES常有膠

5、大的不同。一個(gè)典型的裝配由一塊FR-4板、焊錫和無引腳或有引腳元件組成。它們各自的CTE是16.0x10-6/°C（FR）、23.0x10-6/C（Sn63/Pb37）、16.5x10-6/C（銅弓I腳）、和6.4x10-6/C（A2O3無引腳元件）。在溫度的波動(dòng)和電源的開與關(guān)之下，這些CTE的不同增加在焊接點(diǎn)上應(yīng)力與應(yīng)變，縮短服務(wù)壽命和導(dǎo)致過早失效。兩個(gè)主要的材料特性決定CTE勺幅度，晶體結(jié)構(gòu)和熔點(diǎn)。當(dāng)材料具有類似的晶格結(jié)構(gòu)時(shí)，其CTE與其熔點(diǎn)有相反的關(guān)系。5,熔化焊錫的表面張力是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，與可熔濕性（wettability）和可焊接性有關(guān)。由于接合在表面斷開，在表面分子之間作

6、用的吸引力相對(duì)強(qiáng)度比焊錫內(nèi)部分子力較弱。因此材料的自由表面具有比其內(nèi)部更高的能量。對(duì)于用來熔濕焊盤的熔化焊錫，焊盤的表面必須具有比熔化的焊錫較高的能量。換句話說，熔化金屬的表面能量越低（或金屬焊盤的表面能量越高）,對(duì)熔濕越有利。注意：上助焊劑就是要增加焊盤的表面能量而不是象有時(shí)在文章中那樣說的減低。冶金學(xué)特性在焊錫連接服務(wù)壽命內(nèi)暴露的環(huán)境條件之下，通常發(fā)生的冶金現(xiàn)象包括幾個(gè)明顯的變化。11 .塑性變形。當(dāng)焊錫暴露在作用力下，如機(jī)械或熱應(yīng)力，它會(huì)進(jìn)行不可逆變的塑性變形。通常通過在焊錫晶體結(jié)構(gòu)的許多平行平面上的剪切變形開始，它可能全面地或局部地（在焊接點(diǎn)內(nèi)）進(jìn)行，取決于應(yīng)力水平、應(yīng)變率、溫度和材料

7、特性。連續(xù)或周期性的塑性變形最終導(dǎo)致焊錫點(diǎn)破裂。2 .應(yīng)變硬化，經(jīng)常在應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系中觀察到，是塑性變形的結(jié)果。3 .恢復(fù)過程是應(yīng)變硬化的反現(xiàn)象。恢復(fù)是一個(gè)軟化事件，即，焊錫傾向于釋放所儲(chǔ)存的應(yīng)變能量。該過程是熱動(dòng)力學(xué)推動(dòng)的，一個(gè)以快速率開始、以較低速率進(jìn)行的能量釋放過程。這樣，對(duì)焊點(diǎn)缺陷敏感的無論特性傾向于恢復(fù)到其最初的值?？墒?，這不影響微結(jié)構(gòu)中的可發(fā)現(xiàn)的變化。4 .重新結(jié)晶是在服務(wù)壽命期間焊接點(diǎn)內(nèi)經(jīng)常觀察到的另一個(gè)現(xiàn)象。它經(jīng)常發(fā)生在相對(duì)高的溫度，并涉及從應(yīng)變材料釋放比恢復(fù)過程較高的能量。還有,在重結(jié)晶期間，形成一套新的基本上無應(yīng)變的晶體結(jié)構(gòu)，它明顯涉及晶核形成與增生的過程。重結(jié)晶所要求的

8、溫度一般落在材料的絕對(duì)熔點(diǎn)的三分之一到二分之一范圍內(nèi)。5 .固溶硬化(solution-hardening),或固體溶解合金，造成屈服應(yīng)力的增加。固溶硬化的一個(gè)現(xiàn)成例子是，當(dāng)Sn/Pb成分通過鑲(Sb)添加來強(qiáng)化時(shí)，如圖一所示。6 .沉淀硬化(precipitation-hardening)包括強(qiáng)化作用，它來自于具有分布良好的細(xì)沉淀的結(jié)構(gòu)。&»-W60即1如UnFigure1A54honingPbmldercomposjtiQrfcWseenvij-addHi-onofSbmthecHi口匕=o£&±5tws7,焊錫的超塑性特性表明自己處于低應(yīng)力、

9、高溫和低應(yīng)變率的條件之下。機(jī)械性能焊錫的三個(gè)基本機(jī)械特性包括應(yīng)力與應(yīng)變特性、抗懦變性和抗疲勞性。雖然應(yīng)變可以通過張力、壓力或男力來施加，但多少合金在男力上比在張力或壓力上更弱。剪切強(qiáng)度是重要的，因?yàn)槎鄶?shù)焊點(diǎn)在服務(wù)期間經(jīng)受剪切應(yīng)力。懦變是當(dāng)溫度和應(yīng)力(載荷)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?，懦變現(xiàn)象只是在“活躍”溫度時(shí)才便得重要。疲勞是在交替應(yīng)力之下的合金失效。一個(gè)合金在循環(huán)載荷下可忍受的應(yīng)力遠(yuǎn)低于靜載荷之下的。因此，屈服強(qiáng)度，焊錫沒有永久變形將抵抗的靜態(tài)應(yīng)力，與抗疲勞性無關(guān)。疲勞破裂通常從幾個(gè)小裂紋開始，在應(yīng)力的循環(huán)作用下增產(chǎn)，造成焊接

10、點(diǎn)燈承載橫截面減小。在電子封裝和裝配應(yīng)用中的久I錫通常經(jīng)受低循環(huán)疲勞（疲勞壽命小于10,000周期），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。它將材料經(jīng)受循環(huán)的溫度極限，即，一個(gè)溫度疲勞測(cè)試模式。每一種方法都有其獨(dú)特的特征與優(yōu)點(diǎn)，兩者都影響在焊錫上的應(yīng)變循環(huán)。2性能與外部設(shè)計(jì)人們清楚地認(rèn)識(shí)到，焊接點(diǎn)的可靠性不僅依靠固有特性，而且依靠設(shè)計(jì)、要裝配的元件與板、用來形成錫點(diǎn)的工藝和長(zhǎng)期服務(wù)的條件。進(jìn)一步，焊接點(diǎn)預(yù)計(jì)與散裝的焊接材料有不同的表現(xiàn)。因此，可能不能準(zhǔn)確地遵循在散裝焊錫與焊接點(diǎn)之間的一些現(xiàn)成的機(jī)械與溫度特性模式。主要地，這是由于基板表面焊接體積的高比率，在固化期間造成大量的

11、非均質(zhì)成核點(diǎn)，以及當(dāng)焊點(diǎn)形成時(shí)在元素或冶金化合物中的濃度梯度。無任哪一種條件都可能導(dǎo)致一個(gè)反映缺乏均質(zhì)性的結(jié)構(gòu)。隨著焊接點(diǎn)厚度的減少，這個(gè)界面效果更加明顯。因此，焊接點(diǎn)的特性可能改變，失效機(jī)制可能與散裝焊錫不一致。元件與板的設(shè)計(jì)也可重大影響焊接點(diǎn)的性能。例如，與焊盤有關(guān)的阻焊層（soldermask）（如一個(gè)限定的或不限定的阻焊層）的設(shè)計(jì)，將影響焊接點(diǎn)燈性能以及失效機(jī)制。對(duì)于每種元件封裝的各自焊點(diǎn)失效模式已經(jīng)有觀察和說明特征1,3,4,5,6。例如,翅形(gull-wing)QFP焊接點(diǎn)的斷裂經(jīng)常從焊接圓角的腳跟開始，第二個(gè)斷裂在腳尖區(qū)域；BGA早點(diǎn)失效通常在或者焊錫球與封裝的界面或者焊錫球與

12、板的界面找到。另一個(gè)重要的因素是系統(tǒng)的溫度管理。IC芯片的散然要求繼續(xù)增加。其運(yùn)作期間產(chǎn)生的熱量必須有效地從芯片帶走到封裝表面，然后到空氣中。在由于過熱系統(tǒng)失效出現(xiàn)之前，IC的性能可能變得不穩(wěn)定，與在導(dǎo)電性和溫度之間的關(guān)系中描述的一樣。封裝與板的設(shè)計(jì)和材料都是該工藝效率的影響因素。焊錫連接認(rèn)為在導(dǎo)熱方面比其聚合物膠替代品要有效得多(如表中預(yù)計(jì)的導(dǎo)熱率所反應(yīng)的)表、普通封裝材料的導(dǎo)熱率材料導(dǎo)熱率(W/m°K)銅400金320硅80焊錫(Sn63/Pb37)50鋁(Al2O)35導(dǎo)電性膠5基板(FR-4,BT)0.2當(dāng)焊接點(diǎn)通過高質(zhì)量的工藝適當(dāng)?shù)匦纬蓵r(shí)，其服務(wù)壽命與懦變/疲勞相互作用、金

13、屬間化合物的發(fā)展和微結(jié)構(gòu)進(jìn)化有聯(lián)系。失效模式雖系統(tǒng)的組成而變化,如封裝類型（PBGACSRQFR電容等）、溫度與應(yīng)變水平、使用的材料、焊點(diǎn)圓角體積、焊點(diǎn)幾何形狀及其他設(shè)計(jì)因素。功率不斷提高的芯片和現(xiàn)代設(shè)計(jì)不斷變密的電路進(jìn)一步要求在焊接點(diǎn)的抗溫度疲勞的更好性能。無鉛焊錫Figurei.ConrrpwKonofMnttivsatanda乂Mimraleof6.561Sn6iPt)，73ndtht曲吐d作收糖以甘2中例8沁對(duì)無鉛焊錫的興趣水平隨著時(shí)間而變化，從熾熱到冷淡。有fItjMK2,SEM©IattiertMlIx聞組皿公用用wider前叫如行啊訃仁關(guān)無鉛焊錫合金發(fā)展的詢問數(shù)量也似乎

14、直接與美國(guó)國(guó)會(huì)或者在C,而'CFHsddPEiinertheinterlace-其他國(guó)家的法律團(tuán)體內(nèi)部的事件成比例7。雖然法律的影響不會(huì)小，但是，發(fā)展無鉛焊錫的另一個(gè)、可能更重要的目的是要將軟的焊錫推向一個(gè)新的性能水平典型的PCBII配的共晶錫/鉛(Sn63/Pb37)焊接點(diǎn)通常由于溫度疲勞的結(jié)果遇到累積的老化13,4,5,6。這個(gè)老化經(jīng)常與在焊點(diǎn)界面上和附近的粗糙晶粒有關(guān)，如圖二所示，它反過來與Pb或富Pb相緊密相關(guān)。如果消除鉛，對(duì)于經(jīng)受溫度循環(huán)的無鉛焊接點(diǎn)的損壞機(jī)制會(huì)改變嗎？在沒有其他主要失效條件(金屬間化合物、接合差、過多空洞，等時(shí)，在溫度疲勞環(huán)境下的無鉛焊點(diǎn)失效機(jī)制涉及晶粒粗糙很可能不會(huì)達(dá)到錫/鉛相同的程度。無鉛焊錫實(shí)際上應(yīng)該設(shè)計(jì)成防止晶粒粗糙，因此提供較高的抗疲勞特性，由于有利的維結(jié)構(gòu)進(jìn)化。顯示沒圖三通過兩種無鉛合金比較溫度疲勞無鉛焊接點(diǎn)的強(qiáng)度,有粗糙的出現(xiàn)。已經(jīng)介紹了各種無鉛成分1。多數(shù)似乎至少在一個(gè)區(qū)域失效：例如它們可能缺少