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无铅焊料表面贴装焊点的可靠性
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Reliability of SMT welding spot
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■上海微系统与信息技术研究所 肖克 罗乐
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由于Pb对人体及环境的危害，在不久的将来必将禁止Pb在电子工业中的使用。为寻求在电子封装工业中应用广泛的共晶或近共晶SnPb钎料的替代品，国际上对无Pb钎料进行了广泛研究。其中，共晶SnAg和共晶SnAgCu钎料作为潜在的无Pb钎料，具有剪切强度、抗蠕变能力、热疲劳寿命好等特点。
在焊接过程中，熔融的钎料与焊接衬底接触时，在界面会形成一层金属间化合物（IMC）。其形成不但受回流焊接过程中温度、时间的控制，而且在后期的服役过程中其厚度也会随着时间的延长而增加。研究表明界面上的金属间化合物是影响焊点可靠性的一个关键因素。过厚的金属间化合物层会导致焊点断裂韧性和抗低周疲劳能力下降，从而导致焊点可靠性的下降。由于无铅焊料和传统的SnPb焊料的成分不同，因此它和焊接基板如Cu、Ni和AgPd等的反应速率以及反应产物就有可能不同，从而表现出不同的焊点可靠性。
本所全面而系统地研究了Sn96.5Ag3.5、Sn95.5Ag3.8Cu0.7和Sn95Sb5等无铅焊料和多种基板及器件所形成表面贴装焊点的可靠性，现就一些研究成果做一简要介绍。
无铅焊料与Au/Ni/Cu焊盘所形成焊点的可靠性
实验选用的表面贴装元件为1206型陶瓷电阻。FR4印刷电路板上的焊盘结构为Cu/Ni-P/Au，其中，Ni-P层厚度为5mm，P含量为12
at%。所用焊料为以上几种无铅焊料以及62Sn36Pb2Ag。用剪切强度测试方法考察焊点在150℃时效过程中的可靠性。
图1为SnAg/Ni-P/Cu焊点的扫描电镜照片。在SnAg/Ni-P界面发现有Ni3Sn4生成，其厚度随时效时间而增加。SnAg焊点由Sn基体与镶嵌于其中的Ag3Sn颗粒组成，在界面附近有少量的片状Ni3Sn4，这是由于在回流过程中溶于焊料中的Ni在其后的冷却过程中析出而形成。与SnPbAg焊点相比，时效后的SnAg焊点微组织的粗化要轻微得多，
Ag3Sn颗粒的大小几乎不随时效时间变化。
图2为SnPbAg和SnAg焊点的剪切强度与时效时间的关系。可见，SnPbAg焊点的强度随时效时间的延长而下降，经1000h时效后，其强度下降29%。而SnAg焊点在时效初期，其强度比SnPbAg焊点高，但250h时效后，焊点强度剧烈下降。时效结束时，其强度已不足原有强度的30%。断口分析表明，SnPbAg和SnAg焊点的断裂方式明显不同。对于SnPbAg焊点，时效前，焊点在焊料内部塑性断裂；随着时效的继续，Ni3Sn4层厚度增加，裂纹在Ni3Sn4层内及其与Ni-P界面处产生，并使焊点的剪切强度下降。SnAg焊点在时效的开始阶段断裂方式与SnPbAg焊点相同，但超过250h时，Ni-P层开始从Cu基体上脱落，焊点剪切强度大幅度下降。
在回流及时效过程中，焊料与Ni-P层间会发生互扩散，在界面形成金属间化合物。Ni-P与Cu基体之间的结合强度主要是通过Ni-P在化学镀过程中填充Cu表面的微小凹坑互相咬合和通过原子间作用力而得到的。在400℃以下，
Ni-P与Cu之间的互扩散不会影响界面结合强度。本试验中，Cu/Ni-P层状结构在回流焊接及时效处理过程中所承受的温度均低于300℃，所以热处理本身不会对Ni-P/Cu的结合强度产生很大影响。焊料和Ni-P中的互扩散组元分别为Sn和Ni。电子探针测试表明，界面上的Ni3Sn4层中探测不到P，即P只存在于剩余的Ni-P层中。P被排斥出互扩散层是由于其在Ni-Sn金属间化合物中的溶解度很小所致，而这将导致剩余Ni-P层中P含量上升。图3为SnPbAg和SnAg焊点中剩余Ni-P层中心部位的P含量的电子探针测定结果。从中可见，未经时效处理的SnAg焊点中Ni-P层P含量就已较高，在时效过程中又以较高的速率上升，直至约250h后达到饱和。显然，回� | |
