（电路与系统专业论文）热载荷下无铅焊点可靠性电测方法研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 电子封装高度集成化，使得焊点可靠性评估更加困难，而封装无铅化， 又给焊点可靠性研究带来新的问题。本文采用微电阻测量的手段，研究在 热载荷条件下s n a g c u 焊点可靠性评估的电测方法，并进行可行性分析。对 热载荷下无铅焊点的失效机制进行综合分析，建立焊点损伤与电阻的简单 关系模型，为本文研究奠定理论基础。改进焊点蠕变一电阻测试系统，在不 增加成本的同时提高主板电路测量精度以及优化上位机应用软件。采用增 量式p i d 控制算法和脉冲波脉宽调制技术，设计并实现了温度控制仪，为 焊点试样施加热循环和恒定高温两种热载荷。实验表明，温度控制仪具有 高可靠性。制作长宽各l m m 、厚0 2 m m 的s n a g c u 焊点试样，分别进行室温 剪切蠕变、高温剪切蠕变、热循环疲劳以及热循环疲劳加剪切蠕变实验。 利用金相显微镜和电子显微镜观察试样断面，并采用o r i g i n 对大量的焊点 试样测试结果进行数学处理，得到的相关表格、曲线图和照片表明：1 ) 不同 载荷方式下，焊点寿命不同，热循环疲劳实验中的焊点寿命最长，高温剪 切蠕变实验中的焊点寿命最短，分析可知焊点寿命与载荷大小呈反比关系； 2 ) 四项实验的测试曲线都反应了焊点的裂纹连续生长、蠕变失效过程，变化 趋势与经典结果吻合，清晰地反映出失效的三个阶段；3 ) 不同载荷方式下 的焊点失效断裂时，电阻应变量各异，即断裂前焊点内部损伤情况不同， 鉴于此，本文对电失效判据进行分析，讨论通用电失效判据( 电阻应变1 0 ) 的适用范围；4 、) 分析试样断裂面显微照片后发现，热循环疲劳加剪切蠕变下 焊点断面滑移线细密、模糊，而室温剪切蠕变下焊点焊点断面滑移线粗放、 清晰；5 ) 通过测试焊点的电阻应变率可知焊点在失效过程中所处的阶段，证 明电测方法确实为焊点可靠性测试的一种有效手段。 关键词 s n a g c u 焊点，焊点可靠性，微电阻测量，p i d 算法，p w m 调制 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t b e c a u s eo ft h eh i 曲i n t e g r a t i o nl e v e lo fe l e c t r o n i cp a c k a g i n g ，e v a l u a t i n g s o l d e rj o i n t s r e l i a b i l i t yi sm o r ea n dm o r ed i f f i c u l t ，a n dl e a d f r e ep a c k a g i n ga l s o b r i n gn e wp r o b l e m s t ot h er e s e a r c ho nr e l i a b i l i t yo fs o l d e rj o i n t s t h e d i s s e r t a t i o np e r f o r m ss y s t e m i cs t u d yo nt h ee l e c t r o n i ct e s tm e t h o d sa b o u t e v a l u a t i n gs n a g c us o l d e rj o i n t s r e l i a b i l i t yi nt h ec i r c u m s t a n c eo ft h e r m a ll o a d a n d a n a l y z e t h e f e a s i b i l i t y w i t ha ni n - s i t um i c r oe l e c t r o n i c r e s i s t a n c e m e a s u r e m e n t ，i n c l u d i n gi n t e g r a t e da n a l y s i s o ft h e d a m a g em e c h a n i s mo f l e a d - f r e es o l d e rj o i n t su n d e rt h e r m a ll o a d am a t h e m a t i cm o d e lo nt h eb a s i c r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns o l d e rj o i n t s d a m a g ea n dr e s i s t o rs t r a i nh a v eb e e ns e tu pt o s e t t l e st h eb a s eo ft h e o r y a ni m p r o v e m e n to ft h es o l d e r jo i n t sc r e e p - r e s i s t o rt e s t s y s t e m ，i n c l u d i n ga m e l i o r a t i n gt h em e a s u r ea c c u r a c yo ft h em a i ne l e c t r o n i c b o a r da n do p t i m i z i n gt h es o f t w a r es y s t e mw i t h o u tc o s ti n c r e a s e ，h a v eb e e ne a r l y o u t w i t hi n c r e m e n tp i da r i t h m e t i ca n dp w m t e c h n i q u e s ，at h e r m a lc o n t r o l i n s t r u m e n th a v eb e e nd e v e l o p e dt oi n f l i c tt h e r m a lc y c l el o a da n dc o n s t a n th i g h t e m p e r a t u r el o a do nl e a d f r e es o l d e rj o i n t s ，a n dt h e r e s u l t ss h o wt h a tt h i st h e r m a l c o n t r o li n s t r u m e n ti sa b l et ow o r kw i t hh i g hr e l i a b i l i t y i nt h i sa r t i c l e ，w i t h s n a g c us o l d e rj o i n t ss p e c i m e n s ( t h ew i d t ha n dl e n g t hi s lm m ，t h eh e i g h ti s 0 2 m m ) ，f o u rk i n d so fe x p e r i m e n t sh a v eb e e np e r f o r m e d ，i n c l u d i n gs h e a rc r e e p e x p e r i m e n ti nr o o mt e m p e r a t u r e ，s h e a rc r e e pe x p e r i m e n ti nh i g ht e m p e r a t u r e ， s h e a rc r e e pe x p e r i m e n tw i t ht h e r m a lf a t i g u e ，t h e r m a lf a t i g u ee x p e r i m e n t a f t e r e a c h e x p e r i m e n t a n a n a l y s i s a b o u tf r a c t u r ew a s p e r f o r m e du t i l i z i n g m e t a l l o g r a p h i cm i c r o s c o p ea n de l e c t r o nm i c r o s c o p e ，a n d al o to fs o l d e r s p e c i m e n s t e s t i n g r e s u l t sh a v e b e e np r o c e s s e du s i n go r i g i ns o f t w a r e t h e c o r r e l a t i v et a b l e s ，g r a p h sa n dp h o t o ss h o wt h a t1 ) s o l d e rj o i n t su n d e rd i f f e r e n t l o a d sh a dd i f f e r e n tl i f e t i m e ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a ts o l d e rjo i n t su n d e r t h e r m a lf a t i g u eh a dc o m p a r a t i v el o n gl i f e t i m e ，a n ds o l d e rj o i n t su n d e rs h e a r c r e e pi nh i g ht e m p e r a t u r eh a dc o m p a r a t i v es h o r tl i f e t i m e ，s oi t se a s yt oc o m e t o ac o n c l u s i o nt h a tt h e r ei sai n v e r s er a t i or e l a t i o n s h i pb e t w e e ns o l d e rj o i n t s l i f e t i m ea n dl o a d ；2 ) a l lt h et e s tc u r v e so ft h ef o u rk i n d so fe x p e r i m e n t sc a n s h o wt h ec o n t i n u a ld e v e l o p m e n to fc r a c k d a m a g ea n df r a c t u r em e c h a n i s m s w h i c ha r ec o n s i s t e n tw i t hr e s u l t sr e p o r t e db yl i t e r a t u r e s ，a n dt h et h r e es t a g e so f c r e e pa r es h o w nc l e a r l y ；3 ) t h el a r g e s tr e s i s t o rs t r a i no fe a c hs o l d e rj o i n tu n d e r d i f f e r e n t1 0 a di sd i f f e r e n tf r o me a c ho t h e r , f o rt h ed a m a g ei ns o l d e rjo i n t si sn o t 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t i d e n t i c a lw h e nt h es o l d e rjo i n t sr u p t u r e ，i nv i e wo ft h i s ，t h ea r t i c l ea n a l y z et h e e l e c t r o n i ci n v a l i dc r i t e r i o na n dd i s c u s st h ea p p l i c a b i l i t yo ft h ec u r r e n tc r i t e r i o n ( a r r o = 10 ) ；4 ) ap h e n o m e n o nt h a ts l i p s c a ro nt h ef r a c t u r eo fs o l d e rj o i n t s u n d e rs h e a rc r e e pw i t ht h e r m a lf a t i g u ei sm o r ec o a r s ea n dc l e a ri nc o m p a r i s o no f t h es l i ps c a ro nt h ef r a c t u r eo fs o l d e rjo i n t su n d e rs h e a re r e 印i sf o u n df r o m a n a l y z i n gt h em i c r o s c o p i cp h o t o so ff a c t u r e ；5 ) t h ep h r a s ea b o u t as o l d e rj o i n ti n c r e e pc a i l b ef o u n df r o mt e s t i n gr e s i s t o rs t r a i no ft h i ss o l d e rj o i n t ，a n dt h a t c o n f i r m st h a te l e c t r o n i ct e s tm e t h o di sv e r ye f f e c t i v ei nt e s t i n gs o l d e rj o i n t s r e l i a b i l i t y k e yw o r d s s n a g c us o l d e rj o i n t s ，r e l i a b i l i t yo fs o l d e rj o i n t s ，m i c r or e s i s t o r m e a s u r e m e n t ，p i da r i t h m e t i c ，p w m i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名： 至l 至王日期：巡年上月整日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论 文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复 印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将 本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提 供信息服务。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 无铅焊点可靠性研究现状 1 1 1 无铅焊点可靠性 第一章绪论 传统铅锡焊料含铅，而铅及铅化合物属剧毒物质，长期使用含铅焊料会给人类健康 和生活环境带来严重危害。随着r o h s 指令和w e e e 指令在欧洲的推行，含铅电子产品已 被禁止销售，使用无铅焊料已成为必然。目前，世界各国都在进行电子产品的无铅计划 和立法，电子行业也在积极推行无铅焊料和无铅工艺。电子行业对无铅软钎焊的需求越 来越迫切，已经对整个行业形成必然趋势。无铅焊料已经逐步取代有铅焊料，但无铅化 技术由于焊料的差异和焊接工艺参数的变化，必会给焊点可靠性带来新的问题。近几年， 有关无铅焊料的研究工作进展很快。国内外现有的研究结果表明，最有可能替代s n p b 焊料的无毒合金是锡基合金，主要以锡为主，添加a g 、z n 、c u 、s b 、b i 、i i l 等金属元 素【i 】。通过焊料合金化来改善合金性能，提高可焊性，满足对焊料综合性能方面的要求。 在众多的无铅钎料中，s n a g c u 系合金有更好的工业生产使用性。据i p c 2 0 0 0 年的报告 指出，s n a g c u 合金( 包括添加有第四种元素的合金) 将会成为最有潜力的s n p b 钎料的替 代品之一，同时s n a g c u 合金将成为评价其他无铅钎料合金的基准【2 j 。 随着无铅焊料应用的普及，无铅焊料焊点的可靠性问题备受关注【3 j 。尤其是电子信 息产业日新月异的今天，微电子器件中的焊点越来越小，而其所承载的力学、电学和热 力学负荷却越来越重，对可靠性要求日益提高。电子封装中广泛采用的s m t 封装技术 及新型的芯片尺寸封装( c s p ) 、焊球阵列( b g a ) 等封装技术均要求通过焊点直接实 现异材间电气及刚性机械连接( 主要承受剪切应变) ，焊点的质量与可靠性很大程度决 定了电子产品的质量【4 】。一个焊点的失效就有可能导致电路系统整体的失效，因此如何 保证焊点的质量是一个重要问题。一般认为，电子封装的失效是缺陷在热、机械、电磁 或化学载荷作用下的萌生、聚集与长大的过程，是应力应变的函数，同时也是材料、界 面和电子封装结构形状的函数【5 】。对焊点破坏行为和破坏机理、焊点的可靠性评估和寿 命预测的研究已有不少新的成果【3 , 6 - 1 0 l 。无铅焊点的可靠性问题主要有：焊点的剪切疲劳 与蠕变裂纹【1 1 ，1 2 1 3 1 、电迁移【1 2 1 4 1 、焊料与基体界面金属间化合物形成裂纹【l i , 1 2 , 1 5 , 1 6 、s n 晶须生长引起短路【1 1 , 1 2 】、电腐蚀和化学腐蚀问题j 等。 根据史建卫等【l 刀分析所知，焊点失效主要原因包括温度、湿度、振动和灰尘等，各 占比例为5 5 、1 9 、2 0 和6 。由此可见，蠕变和热力疲劳是电子封装焊点的主要 载荷，对焊点的可靠性评价也主要针对该两种情况 9 1 。为了描述无铅焊料的机械行为特 性，研究者进行了大量基于块体焊料的蠕变测试。重复这些测试并不复杂，测试现象也 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 易于解释。但是，由于强度效应和工艺影响，块体试样与封装焊点的机械行为并不完全 相刚1 钔。鉴于此，本文着重以单个s n a g c u 焊点为研究对象。 1 1 2 热循环对无铅焊点可靠性的影响及研究现状 焊点最常见的破坏大多由于热循环导致，在使用时芯片发热，热量透过封装体传导 到焊点，使焊点温度上升。由于封装体与基板间的热膨胀系数不同，当温度变化时，封 装体会产生翘曲，焊点介于中间，会因应力而变形。当停止使用时，温度降回室温，造 成与使用时相反的应力，使得焊点随着一次次的使用而产生形变，如同热疲劳；接着产 生裂纹、扩展，形成一断裂面，使电阻值提高，讯号无法通过焊点传递，最后使元件失 效。 当前，国内外对无铅焊点热可靠性问题的研究主要集中在研究和发展预测电子封装 焊点热循环可靠性的基础理论和测试技术，内容涉及循环寿命预测方法、焊料热循环条 件下的失效机制、焊点可靠性的加速试验方法等。 焊点的寿命预测一直是焊点可靠性问题的重要内容，已经提出了多种寿命预测模 型，如基于应变范围的c o f f i n m a n s o n 经验模型【l9 1 ，基于断裂力学的裂纹扩展模型和基 于损伤累积的能量模型等。普遍认为焊点在热循环条件下的失效机制是蠕变疲劳的交互 作用，因此研究焊料在热循环下的应力应变环、热蠕变和热疲劳行为，对深入了解焊点 的失效机理具有重要意义。x uc h e n 2 0 】等人通过对各种焊料制作而成的一定标准的试件 进行恒温的机械疲劳实验，并研究温度和机械加载频率对焊料应力应变的影响，对焊料 的热应力应变、应力应变松弛以及失效机理等方面进行了有意义的探讨。x w l i u 2 1j 等 人则对制作而成的焊点进行热机械疲劳实验，研究其应力应变及失效机理。在热循环加 载条件下，由于元器件、焊点及基板的热膨胀系数不匹配而导致焊点内部产生热应力应 变，从而导致焊点的热失效，所以应力应变分析是焊点可靠性预测的基础，受到了人们 的广泛关注。焊点在热循环条件下的热应力应变，可以通过试验研究和理论计算两种途 径来完成。 1 ) 试验研究需要高精度的测试设备和制作特定的测试样件。目前主要采用多种方法 ( 如应变计、激光全息、光栅云纹等) 对焊点热循环过程的应力应变进行测量，但 是现有的测试技术还只能提供平均的或表面( 断面) 的测量结果【2 2 埘】。而且电子封 装焊点细小，应力应变复杂，所以实现起来有一定难度。并且采用这些方法，人 们对故障机理的了解也很有限，再者所花费的时间和费用也很多。比如在优化芯 片封装设计时，必须先对样机进行热循环次数测试，然后才能对设计进行修正， 修正完了再制造样机进行测试。所以在重复上述相同的步骤( 制造样机、测试和 设计修正) 时，就浪费了很多时间和费用。 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 2 ) 理论计算在芯片封装的可靠性分析中是最常用的一种方法。通过有限元模拟我们 可以得到新产品或新设计的可靠性资料，这样就不用实际做出样本后再做可靠性 试验，从而可以节省大量的开发成本，及缩短产品的开发周期，并让我们能对故 障机理有更深入的了解，同时还可以通过参数化模拟来优化整个过程【2 5 瑚】。 b a r r e t t 2 8 】提出，可通过有限元法进行模拟，并结合设计及分析达到虚拟原型的效果。 即在整个设计过程中，机械工程师可以与从事电路设计的电子工程师以及进行产品制造 的生产人员等其它部门的人员进行合作，采用有限元工具，通过模拟仿真分析，不断地 对模块的封装进行优化。用户也可在产品的研发过程中对产品提出有价值的说明和要 求，而厂商则是将部件组装成成品。这样就能及时高效地生产出满足不同用户要求的产 品。 目前国外对芯片机械系统应力与热应力失效的分析和预测，主要运用有限元分析方 法，同时结合了弹性力学、粘弹性力学、断裂力学的理论和方法。 如日本的q i a n gy u 【2 9 】等人在三维有限元分析的基础上，考虑蠕变、弹性、塑性应 变，应用c o f f m m a n s o n 疲劳寿命定律预测出各种微电子焊点的疲劳强度。s u m m k a w a 刈 等人讨论了通过改变焊点数、回流焊温度、焊点高度等参数来实现焊点的热疲劳可靠性 研究，并对焊点使用粘塑性( 包括蠕变和塑性) 特性进行了计算机仿真，求得等效非弹性 应变，再利用c o f f i n m a n s o n 模型预测焊点的使用寿命。 m o t o r o l a 公司也对p b g a 封装的可靠性做了研究。n a g a r a j 及m a h a l i n g a m l 3 1 的论 文中，提供了结合仿真与试验的方法。他们主要利用a b a q u s 进行弹性及非弹性计算 机仿真，求出塑性及蠕变的形变。再利用试验求得焊点材料的c o f f i n m a n s o n 模型，与 仿真结果结合预测其使用寿命，并与实际试验结果比较。 在a m a g a i 的研究【3 2 】中通过试验求得焊点的粘塑性变形速率，进行计算机分析仿真， 找出对形变影响较大的因子，利用几个因子组成一模型，推出可靠性的数据，并将之与 试验资料经威布尔分布分析后得到的可靠性进行比较。 b a s a r a n 及c h a n d a r o y l 3 3 】，以d s c ( d i s t u r b e ds t a t ec o n c e p t ) 为基础研究材料性质行为， 并以热力学第二定律为基础，制定破坏准则，并模拟振动对可靠性的影响。k h e n g 等人 阴】对预测可靠性的寿命预测模型做了比较完整的整理，针对不同种封装方式，提供多种 寿命预测模型，并比较其适应性与准确性。 对于制造商来说，可靠性属于比较高层次的考虑因素，但制造工艺方面还是最基本 的，没有制造工艺就没有可靠性。所以改进材料和工艺，是解决采用无铅化所出现的可 靠性和失效缺陷的关键p 3 。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 无铅焊点电测方法的提出 1 2 1 无铅焊点可靠性测试 广义的可靠性是指一个产品提供其预期的功能的能力。i p c ( 国际封装互连协会) 将可靠性定义为：产品的功能在给定环境和特定时期内未超过可接受的失效级别的能力 【3 5 】。电子组装的可靠性依赖于每个元件的可靠性以及这些元件之间的热传导，机械和电 连接的可靠性。随着无铅转换的进行，电子产品在传统s n p b 焊料转换为无铅焊料后， 相应的工艺参数、材料性能等的改变，必然会对焊点可靠性带来新的问题，无铅焊点的 可靠性也愈来愈受到重视。通常，电子产品在使用过程中，由于环境应力尤其是热应力 的影响，会产生如不同材料间热膨胀的失配，软焊料的蠕变疲劳，金属间化合物的过度 长大等可靠性问题，最终导致焊点的失效。而随着封装结构的小型化、轻型化，便携式 产品如手机、r a p 3 等数码产品在日常生活中得到的较为普遍的使用，在运输、使用过程 中，由于各种原因导致的碰撞、跌落等瞬时机械应力对焊点可靠性也会产生重要的影响。 可靠性试验就是为评价分析，而对受试的样品施加一定的载荷，包括电加载，热加 载，机械加载或其综合。通过试验检查样品的各种性能参数是否仍旧符合技术指标。从 而判断样品是否失效或可靠。常用的试验有：机械振动试验，机械冲击试验，恒定加速 度试验，引线强度试验，键合强度试验等。常用的环境试验有温度循环试验，热冲击试 验，高温储存试验，潮热试验，高压蒸汽试验，密封试验等。还有一些特殊的试验如抗 核辐射试验等。另外还有可靠性筛选试验，它通过各种方法将有质量问题而可能发生早 期失效的产品予以剔除和淘汰。在可靠性试验中用于失效分析损伤探测的仪器主要有超 声显微镜，x 射线探伤仪等无损检测手段以及扫描电子显微镜，投射电子显微镜，离子 探针，俄歇电子能谱分析仪，红外热相分析仪等p 6 j 。 1 2 2 无铅焊点可靠性电测方法 焊点作为电子封装互连点而起着机械连接、电气连接和热传导三种作用。受损焊点 内裂纹的增加使得焊点的电阻、电感、电容等参数增加，导致传输信号的改变，如幅值 的衰减、波形的失真和时间的延迟。在电路系统中出现异常状况，误触发导致输入的畸 变数据被送入锁存；或在畸变的时钟跳变沿捕获数据；信号不能正常响应等。导致电路 系统工作性能下降，甚至停止工作。尽管此时的焊点没有断开，能导电，但是由于其传 输信号的能力降低，导致电路系统不能正常工作，就认为焊点已经失效了，这种失效可 称为电失效。如此以来，利用传统的可靠性测试方法，例如红外分析、x m y 检查、在 线s e m 、超声波显微、金相分析等方法，都因不能判定焊点是否电失效或预测电使用 寿命而有了局限性。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 另一方面，无铅焊点应用于电子产品中，就理论和实际而言，其机械特性与电学特 性存在一定的关系【3 7 1 。随着在热循环下的疲劳损伤和i m c 层的生长，焊点的电阻、电 感、电容等参数相应发生改变，也就是说，焊点电参数的改变从另一个角度说明了焊点 内部的损伤情况。基于上述理由，无铅焊点可靠性电测方法便有了广阔的发展前景。 无铅焊点可靠性电测方法，即通过测试无铅焊点的电参数，判断焊点的机械失效和 电失效。相比传统测试方法，电测方法有如下几点优势： 1 ) 在线测试。电测方法可对工作中的焊点进行测试，更符合实际情况。 2 ) 判断电失效。利用电测方法测出焊点电学特性参数，根据电失效判据，可判断 电失效和预测电使用寿命，避免事故发生。 3 ) 快捷廉价。焊点的内部结构细微，不易观察和测试，采用x r a y 、超声检查等 方式过于昂贵，无法普及，而目前电子测量中电阻、电感、电容等电学参数的 测量技术已经很成熟，并且测量过程简单快速。显然，电测方法更快捷廉价。 无铅焊点可靠性电测方法为无铅焊点可靠性测试技术的发展带来了新的机会，但由 于对无铅焊点可靠性电测方法的研究，国内外的杂志鲜有报道，研究尚处于起步阶段， 十分不完善，还有几点关键问题尚待解决： 1 ) 无铅焊点可靠性即损伤与电参数的关系模型的建立。焊点内部疲劳裂纹的萌生、 扩展是一个复杂的过程，难以用电参数的变化完全加以描述。杨科灵曾建立过 一个简单数学模型【3 8 】，用来描述无铅焊点等效裂纹与电阻的关系，实验证明， 该模型有其准确性，但只能描述在一维剪切应力作用下的焊点蠕变失效，并且 不能反应蠕变的第一阶段。一个优良、健壮的数学模型是实现无铅焊点可靠性 电测方法的根本，建立精确数学模型是首要解决的问题。 2 ) 无铅焊点电失效判据的确立。早在1 9 9 4 年，s a n c h e z ，j o h ne j r 在金属互连线的 可靠性研究中，提出当x p r 旬的值在1 0 和3 0 之间时就认为其失效1 3 引。2 0 0 2 年，f r a n ks t e p n i a k 在研究倒装焊点群电失效判剧的时候，提出当焊点群的电阻 由有规律的上升到无规则的上下波动时就认为其失效了，并把电阻的波动幅度 为初始电阻的1 0 即鼬7 i b = 1 0 的位置定义为焊点的失效【4 。日本富士通公 司技术人员对该公司手机电路板( b g a 焊点) 进行温度循环测试和跌落测试，测 试时在线路板和器件之间设计了一个雏菊形链状连接，当雏菊链的阻抗出现 1 0 以上波动时，测试样品将被判定为失效【4 l j 。国内的吴丰顺等人利用四探针 测量的方法研究无铅焊点的电迁移失效，也是以a r r o = 1 0 来作为判断失效 的标准【4 2 1 。还有一些资料以阻抗变化2 0 作为失效的标准。可见焊点电失效准 则的提出已经有了一定的历史，但是一直没有受到重视，目前还没有一个统一 的标准。许多的文献都提到阻抗出现1 0 以上波动时，测试样品将被判定为失 效，但这个假设是基于经验，而且对此时焊点失效的具体参数变化并没有研究， 中南大学硕士学位论文第一章绪论 其准确性有待考证。 3 ) 测试技术难点的解决。随着电子产品向便携式化、网络化和多媒体化方向迅速 发展，电子封装中广泛采用s m t 封装技术及新型的芯片尺寸封装( c s p ) 、焊 球阵列( b g a ) 等新的高密度组装技术，焊点尺寸越来越小。j e d e c ( 电子器 件工程联合会) 制定了b g a 封装的物理标准，目前已注册的引线间距有1 0 、 1 2 7 和1 5 m m ，而b g a 焊点的直径一般不超过l m m t 4 3 ，如此小的引线间距和 焊点为在线测试焊点可靠性带来了诸多困难。此外，焊点的电阻微小，以 s n 3 0 a 9 0 5 c u 焊点为例，长宽各l m m 、厚0 3 m m 的焊点电阻理论值为5 0 9 f 2 ， 如此小的电阻已很难精确测量，而焊点损伤引起的电阻应变则更难观察。由此 可见，电测方法的实现需要解决许多技术难点。 1 3 本文主要研究内容 关于无铅焊点的可靠性测试，大多研究者采用红外分析、超声检查、x - r a y 探测等 方法分析失效和损伤，虽然取得一定的研究成果，但是均未能实时、高效、简捷地对焊 点的可靠性进行测试、评估。鉴于此，本文在总结分析研究者热可靠性测试的基础上， 采用在线微电阻测量的方法，分别从理论和实验两个方面验证热载荷下无铅焊点可靠性 电测方法的可行性，并探究无铅焊点在热载荷下的失效机制和电阻特性。 论文的主要内容和组织结构如下： 第一章，概述性的介绍无铅焊点的可靠性研究背景和可靠性测试方法研究现状，提 出无铅焊点可靠性电测方法，最后给出论文的组织结构。 第二章，分析无铅焊点在热载荷下的应力应变和i m c 的生长。导出无铅焊点的损 伤与电阻的关系式。为热载荷下s n a g c u 焊点可靠性的电测方法研究提供理论基础。 第三章，根据焊点的测试要求，对基于在线四探针法微电阻测量技术的焊点剪切蠕 变电阻测试系统进行改进，增加精度，完善功能。 第四章，设计一个用于给焊点施加热载荷的温度控制仪，对其模块电路分别加以介 绍。简述p i d 算法控制理论，对电阻炉进行系统辨识，整定p i d 控制参数，最后给出软 件流程图。 第五章，介绍了焊点材料、试样的制作及实验测试方法与步骤。 第六章，简述了测试结果的基本处理方法和误差分析，对恒温剪切蠕变实验、高温 剪切蠕变实验、热循环疲劳实验和热循环剪切蠕变实验结果进行重点分析和讨论。对无 铅焊点在热载荷下电阻应变的机理和电失效判据进行探讨。 第七章，总结本文研究工作的成果与结论，并对进一步的研究工作提出展望。 6 中南大学硕士学位论文第二章热载荷下无锚焊点失效机制与电阻应变 第二章热载荷下无铅焊点失效机制与电阻应变 2 1 热载荷下无铅焊点的失效机制 在热载荷下，焊点失效从根本上说来源于两个方面。第一，是周期性应力作用导致 损伤累积所致，其失效机制是蠕变与疲劳的交叉作用。第二，由于金属间化合物( i m c ) 层的生长所致，其失效机制为材料脆性变化导致的周期应力损伤积累以及k i r k e n d a l l 孔 洞的生长和聚集。 2 1 1 焊点热应力一应变分析 焊点内部的热应力是使焊点失效的本质之一，并在应变不协调处产生应力集中，导 致裂纹萌生和扩展。应力越高，应变越大，裂纹萌生和扩展的可能性越大。因此，焊点 的应力分析是研究焊点蠕变疲劳失效不可缺少的，可以通过计算所得的焊点内应力( 应 变) 的分布初步判断裂纹的起裂位置，还可以通过分析了解焊点内应力应变积累的过程， 同时，考虑钎料的蠕变性能，计算钎料的蠕变应变和由应力屈服产生的塑性应变变化规 律。 紫铜基板 图2 - 1 无铅焊点简易模型 图2 1 给出了本文所研究的焊点模型。一般说来，热应力主要集中在c u 基板与金 属间化合物交界处。傅冰【删经过有限元分析得出，在热循环过程中，焊点的应力呈周期 性变化，虽然每个周期应力的变化范围并不一致，但随着周期次数的增加，其变化的幅 值越来越小。在升温过程中，应力迅速下降，升温结束时，节点应力为最小值。在高温 保温阶段，应力松弛节点的应力开始有所回升，但回升的趋势缓慢。在温度下降阶段， 应力迅速上升，降温结束时节点应力达到最大值。同样，由于应力松弛，在低温保温阶 段节点应力有所下降，下降的趋势趋缓。 根据文献 4 4 可知，在升温区间，当温度由丁变化到r + 丁时，在焊点与基板接触 面上向外侧剪应力分布为： 中南大学硕士学位论文 第二章热载荷下无铅焊点失效机制与电阻应变 瓦：g3(ct2-cfi)(l+1)at+g,(a=-a,)atx+6g3(20r3-ai-or2)(a3-a,i)at2x ( 2 1 ) 1 4 ( 1 + c t a a t ) h( 1 + 口3 a t ) hh ( 1 + a 3 a t ) 式中，g 3 表示焊点剪切弹性模量，强指焊点热膨胀系数，a t 和口，分别指上基板与下基 板的热膨胀系数，l 为焊点长度，1 为长度应变量，h 为是焊点厚度，x 指沿外侧移动量。 在该接触面向内侧剪应力分布： r2：g3(a2-a,)(l+oat+g!丝二鱼鬯三一6g3(2aa-aj-a2)(ct3-at)at2x ( 2 2 ) 一4 ( 1 + a 3 a t ) h( 1 + c r 3 a t ) hh ( 1 + c q a t ) 式中，x 为沿内侧移动量。 剪应变量为： = 型器产 2 1 2s n a g c u 焊料与c u 的界面反应 ( 2 - 3 ) 在焊接过程中，熔融的焊料与器件、基板发生界面反应，反应产物即金属间化合物 ( i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d s ，i m c ) ，i m c 的形成是焊接界面形成冶金结合的标志，但它 又是互联中的脆性部分。通常认为i m c 的过度生长对焊点的可靠性会产生不利的影响， 但是i m c 和焊点可靠性之间的关系极为复杂。因此，了解封装中的界面反应规律和i m c 的形成长大机理，对电子封装材料体系中焊点可靠性的评估，显得非常重要。 实验中用到的基板为c u ，在焊接以及热循环过程中，s n a g c u 焊料与c u 基板发生 反应，生成i m c 层。s n a g c u 焊料的熔点大约是2 1 7 2 1 8 ，通常回流焊的峰值温度会 达到2 6 0 ，s n a g c u 焊料与c u 的液态界面反应主要是c u - s n 反应和a g - s n 反应。c u s n 反应将在焊料c u 界面形成了一层贝壳状的c u 6 s n 5 金属化合物，a g s n 反应在焊料内部 形成了棒状的a 9 3 s n 相。 k n t u 等【4 5 却】研究发现c u - s n 液态反应过程中c u 6 s n 5 的生长和反应时间存在一个 t 3 的关系，不遵循反应控制或扩散控制动力学。k i m 等 4 8 1 对c u - s n 液相反应中金属间 化合物的形成动力学进行了分析，得出当c u 由c u 6 s n 5 的贝壳状晶粒间的通道扩散到熔 融的焊料内时，扩散率约为1 0 一c m 2 s ，即c u 能很快到达c u 6 s n 5 的前端与焊料相接触继 续c u s n 反应；同时在贝壳状的晶粒有一个老化( r i p e n i n g ) 长大的过程，即c u 也在晶粒 中扩散。综合考虑这两个扩散过程，贝壳状晶粒的生长可用式( 2 - 4 ) 表示： ，：f ( 壁堡鱼+ 丝坐盟渺( 2 - 4 ) o 、3 n a l r t4 z m n p ( t ) 。 8 中南大学硕士学位论文第二章热载荷下无铅焊点失效机制与电阻应变 其中：r 是贝壳状c u 6 s n 5 的平均半径，丫是c u 6 s n 5 的表面能，q 是平均原子体积，d r 是在熔融原子的扩散率，c o 是c u 在熔融焊料中的溶解度，n a 是阿伏加德罗常数，l 是 与贝壳的间隙和半径相关的常数，p 是c u 的密度，a 是焊料与c u 的接触表面积，是 反应中c u 的消耗速率，m 是c u 的质量，r t 是热力学常数，s p 是总的贝壳状晶粒数。 式( 2 - 4 ) 中，右边的第一项代表晶粒的老化长大，第二项代表界面反应。k i m 等【4 8 】 对c t h s n 5 生长动力学的研究发现：晶粒老化长大过程中的c u 通量是基板扩散而参加反 应的c u 的十倍，晶粒老化长大是i m c 长大的主要机制。随着贝壳状晶粒的长大，界面 上晶粒的总数减少，晶粒间的间隙减少，扩散来参加反应的c u 也相应减少，公式中右 侧第二项变大，晶粒长大动力学逐渐不受老化的控制。因此，液态反应中i m c 晶粒长 大过程不同于扩散控制和反应控制过程。 在c u - s n 的固态反应中，c u 6 s n 5 的形貌由贝壳状转变为平面状，k n t u 等【4 9 】认为： c u 6 s n s 与液态焊料相接触呈贝壳状时表现稳定，而与固态焊料相接触时平面状则更稳 定。这种稳定是由于在相应的晶粒形貌下，焊料i m c 的界面能和i m c 晶粒间的界面能 处于最低，液态反应时c u s n 的激活能约为0 2 0 3 e v a t o m l 4 剐。c u 在2 0 0 c 的熔融共晶 s n p b 焊料中的扩散率为1 0 一c m e s ，在1 7 0 c 下在s n p b 焊料中的扩散率为1 0 母c m e s t 5 0 1 ， 相差四个数量级，因此固态反应是一个非常慢的动力学过程。 自由能改变的快慢是i m c 形成的主要影响因素，在熔融焊料中c u 能快速扩散，较 快的获得i m c 形成所需的能量，以较高的反应速率形成的贝壳状i m c ，因此在液态反 应中贝壳状的i m c 更易形成。但在液态反应中，i m c 形成所需能量的快速获得，可能 是以贝壳状i m c 具有较高的表面能为代价的。这是因为相同体积的i m c 呈贝壳状形貌 时比平面状具有更大的表面积，因此在固态反应时，由于固体焊料与c u 6 s n 5 间相对较 高的界面能使得贝壳状i m c 转变为平面状【4 5 】。在固态反应中，i m c 的增长遵循扩散控 制【5 1 5 3 1 ，即 z m c = 4 0 ： ( 2 - 5 ) 式中，x 蹦c 代表增长的厚度，d ，是扩散系数，t 是时间。 其中扩散系数d ，在扩散过程中并非常数，它与晶体结构、原子尺寸、合金成分、 温度等因素有关。实验结果表明在其它条件一定的情况下，扩散系数d ，与温度t 之间 满足如下关系： 口= d oe x p ( - q r t )( 2 - 6 ) 其中扩散常数d o 和扩散激活能q 与温度无关。将上式取对数： 伽d ，= i n d o q i r t( 2 - 7 ) 利用d ，与t 在半对数坐标系中的线性关系，可通过实验来确定d o 和q 的值，从而 确定扩散系数d ，与温度t 的关系。 p l t u 等人【5 4 , 5 5 1 的研究认为焊点中金属间化合物的生长是由扩散机制引起的，由钎 9 中南大学硕士学位论文第二章热载荷下无铅焊点失效机制与电阻应变 料与焊盘金属的互扩散控制。假设金属间化合物的生长可以由时间幂函数和a r r h e n i u s 温度因子描述，方程为： x = x o + a t ”e x p ( 一a r r ) ( 2 - 8 ) 式中x 为层厚( n u n ) ，t 为时间；x o 为初始层厚( i m l l ) ；n 为幂指数，q 为活化能( j m 0 1 ) ： r 为气体常数，等于8 3 1 4 5 j m o l k ；t 为温度( k ) ，a 为常数( m m - s - n ) 。得到钎料焊盘 界面c u s n 金属间化合物生长方程为： x c u 一嘲= 0 9 9 x 1 0 习+ 0 0 1 6 7 t o 。4 9e