（材料物理与化学专业论文）bga封装中的无铅焊点可靠性研究.pdf

摘要 摘要： b g a 封装中的无铅焊点可靠性研究 本论文主要对应用于b g a 封装中的四种新型锡银系无铅焊球( 包括 s n 3 5 a g o 7 c u 、s n 3 a g 3 b i 、s n 3 a g 3 b i o 5 c u 和s n 3 a g 3 b i o 5 c u o i n i ) 的焊接强度进行了测试分析。在回流焊以后，通过加速高低温冷热循环试验对四 种无铅焊点进行疲劳老化，在无铅焊球经历不同热循环次数的条件下进行了焊球 及器件剪切强度的测试，并取出热循环老化不同的阶段没经过剪切强度测试试验 的完整老化样品进行的剖面的打磨，然后用扫描电子显微镜s e m 和能量弥散x 射线能谱e d x 对焊点的截面进行了焊接截面表面形貌的观察和以及焊接界面形 成的金属间化合物i m c 层进行了元素组成分析。 在比较四种不同组分的无铅焊料的剪切强度数据，以及焊点剖面i m c 的生长 情况，本文给出了不同元素如b i 与n i 掺杂对s a c 系无铅焊料剪切强度、i m c 生 长速度与类别以及对整个焊点可靠性方面产生的影响及其机理与规律。 关键词：无铅焊料( 1 e a d f r e e ) ，热循环老化，i m c a b s t r a c t r e l i a b i l i t yo fl e a d f r e es o l d e rj o i n t si nb g ap a c k a g e a b s t r a e t ： t h i si sar e s e a r c ha b o u tf o u rt y p e so fl e a d f r e es o l d e ri o i n t s ( s n 3 5 a g 0 7 c u 、 s n 3 a g 3 b i 、s n 3 a g 3 b i 0 5 c u 和s r 9 3 a g 3 b i 0 5 c u 0 1 n ii n c l u d e d ) i nb g a p a c k a g e ，m o s to fw h i c hi sa b o u ts h e a rs t r e n g t ho nc o p p e rs o l d e rp a d a f t e rr e f l o w , t h e r ei sat h e r m a lc y c l e sa g i n gl o a d e do nt h es o l d e rj o i n t s ，s h e a rs t r e n g t hi st e s t e d e v e r y15 0t h e r m a lc y e l s t h e n ，e v e r ys o l d e rj o i n ts a m p l ei sp o l i s h e df o ri t sc r o s s s e c t i o nr e s e a r c h ，s e mi su s e dt oo b s e r v et h es u r f a c es t r u c t u r ea n de d xi su s e dt of i n d o u tt h ee l e m e n tc o m p o s i o no fi n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d a f t e rc o m p a r i n gt h es h e a rs t r e n g t hd a t ao ff 0 1 1 l t y p e so fl e a d f r e es o l d e rj o i n t s a n dr e s e a r c h i n gt h eg r o w t ho fi n t e r m e t a l l i cc o m p o u n do fc r o s ss e c t i o n ，w eg e ta c o n c l u s i o na b o u ts h e a rs t r e n g t hc h a n g i n gw i t ht h e r m a lc y c l ea g i n g ，a n da b o u t i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n dg r o w t hp r o c e s sw h e nb ia n dn ie l e m e n ta r ed o p e di nt h e s a cs e r i e s 】e a d f r e es o l d e r j k e y w o r d s ：l e a d f r e es o l d e rj o i n t ，t h e r m a lc y c l i n g ，i m c 第一章引言 第一章引言 二十世纪九十年代以来迅速发展的，包括焊球阵列封装( b g a ) 、芯片尺寸封 装( c s p ) 、圆片级封装( w l p ) 、三维封装( 3 d ) 和系统封装( s i p ) 等新型微电子封装 技术等到了迅猛发展。信息技术发展势头越发迅猛，半导体工业作为信息技术发 展的主要依托，正在市场需求的驱动下不断取得进步，是发展最迅速、也是最为 重要的工业之一。集成电路产业已成为国民经济发展的关键，而集成电路设计、 制造和封装测试是集成电路产业发展的三大产业之柱。这已是各级领导和业界的 共识。微电子封装不但直接影响着集成电路本身的电性能、机械性能、光性能和 热性能，影响其可靠性和成本，还在很大程度上决定着电子整机系统的小型化、 多功能化、可靠性和成本，微电子封装越来越受到人们的普遍重视，在国际和国 内正处于蓬勃发展阶段。它深刻改变了我们的日常工作和生活方式，极大地提高 了我们的生活质量和工作效率。半导体工业主要包括集成电路的设计、制造和封 装测试三部分。其中封装测试属于后道工序，它对集成电路产品的质量和竞争力 有着极大的影响，而其成本也占据了器件总体成本的三分之一，正所谓三分天下 有其一。实际上，电子封装是连接半导体芯片和电子系统的一道桥梁，它不但直 接影响着i c 本身的电、热、光和机械性能，还在很大程度上决定了电子整机系 统的小型化，可靠性和成本。近年来，随着集成电路技术的飞速发展和应用前景 的日益广阔，对集成电路的封装技术也提出了更高的要求，以满足集成电路向小 型化、高速化、大功率、多引脚、高密度、高可靠发展的需要。同时封装测试成 本在整个集成电路总成本中所占比例越来越高，有的甚至超过5 0 。这就促使 了封装技术的研究开发在全球范围的迅猛发展，特别是系统封装( s i p ) 和3 d 叠层芯片封装的出现更是使封装技术产生了质的飞越。其面临的机遇和挑战也是 不言而喻的。集成电路封装是多种学科交叉融汇的综合性极强的高新技术，它涉 及到材料、电子、热学、力学、化学、机械和可靠性等多种学科，需要不同学科 的专家协同努力。国际上己将电子封装作为一个单独的重要行业来发展，它不仅 影响着电子信息产业乃至国民经济的发展，而且与每个家庭生活的现代化也息息 相关。 本论文将针对目前广泛应用的芯片尺寸封装中的无铅焊点可靠性进行研究， 包括器件焊球在温度循环条件下的热疲劳，以及装配器件的焊点剪切可靠性和失 效分析。 复旦大学硕士学位论文1 第一章引言 1 1 集成电路封装的作用及内容 集成电路封装的目的，在于保护芯片不受或少受外界环境的影响，并为之提 供一个良好的工作条件，以使集成电路具有稳定的、正常的功能。其作用概括起 来主要有以下几点： ( 1 ) 封装对集成电路起着机械支撑和机械保护的作用。 ( 2 ) 封装对集成电路起着传输信号和分配电源的作用。 ( 3 ) 封装对集成电路起着热耗散的作用。 ( 4 ) 封装对集成电路起着环境保护的作用。 一般说来，微电子封装分为三级，如图1 所示。所谓一级封装就是在半导 体圆片裂片以后，将一个或多个集成电路芯片用适宜的封装形式封装起来，并使 芯片的焊区与封装的外引脚用引线键合( w b ) 、载带自动键合( t a b ) 和倒装芯片键 合( f c b ) 连接起来，使之成为有实用功能的电子元器件或组件。一级封装包括单 芯片组件( s c m ) 和多芯片组件( m c m ) 两大类。应该说，一级封装包含了从圆片裂片 到电路测试的整个工艺过程，即我们常说的后道封装，还要包含单芯片组件( s c m ) 和多芯片组件( m c m ) 的设计和制作，以及各种封装材料如引线键合丝、引线框架、 装片胶和环氧模塑料等内容。这一级也称芯片级封装。二级封装就是将一级微电 子封装产品连同无源元件同安装到印制板或其它基板上，成为部件或整机。这 一级所采用的安装技术包括通孔安装技术( t h t ) 、表面安装技术( s m t ) 和芯片直接 安装技术( d c a ) 。二级封装还应该包括双层、多层印制板、柔性电路板和各种基 板的材料、设计和制作技术。这一级也称板级封装。三级封装就是将二级封装的 产品通过选层、互连插座或柔性电路板与母板连结起来，形成三维立体封装，构 成完整的整机系统，这一级封装应包括连接器、迭层组装和柔性电路板等相关材 料、设计和组装技术。这一级也称系统级封装。所谓微电子封装是个整体的概念， 包括了从一极封装到三极封装的全部技术内容。在国际上，微电子封装是一个很 广泛的概念，包含组装和封装的多项内容。微电子封装所包含的范围应包括单芯 片封装( s c p ) 设计和制造、多芯片封装( m c m ) 设计和制造、芯片后封装工艺、各种 封装基板设计和制造、芯片互连与组装、封装总体电性能、机械性能、热性能和 可靠性设计、封装材料、封装工模夹具以及绿色封装等多项内容。 复旦大学硕士学位论文2 第一章引言 图1 1 集成电路封装的三个层次示意图 1 。2 集成电路封装技术的演变 自1 9 4 7 年美国电报电话公司( a t & t ) 贝尔实验室的三位科学家巴丁、布赖 顿和肖克莱发明了第一只晶体管起。就同时开创了集成电路封装的历史。其发展 过程大致经历了以下四个阶段。 第一阶段是以通孔器件和插入器件为主，其代表是六十年代就开发出的双列 直插式引线封装d o u b l ei n l i n ep a c k a g e d i p 。 第二阶段是随着八十年代表面贴装技术( s m t ) 的迅猛发展，而出现的各类 表面贴装元器件( s m c s m d ) 电子封装。诸如塑料短引线芯片载体( p l a s t i cl e a d e d c h i pc a r r i e r p l c c ) 和四边扁平引线封装( q u a df l a tp a c k a g e q f p ) 等。 第三阶段发生在八十年代至九十年代，随着i c 特征尺寸不断减小以及集成 度的不断提高，芯片尺寸和i o 数也不断增大。电子封装引脚由周边型向面阵列 形发展。综合了q f p 和p g a 的优点，于九十年代初终于研制开发出新一代集成电 复旦大学硕士学位论文3 第一章引言 路封装一球栅阵列封装( b a l lg r i da r r a y b g a ) 。至此，多年来一直大大滞后于 芯片发展的集成电路封装，由于b o a 的开发成功终于能够适应芯片发展的步伐。 然而，历来存在的芯片小而封装大的矛盾至b g a 并没有真正解决。 第四阶段是在9 0 年代，美国继开发出b g a 之后，又开发出u b g a ，而日本也 开发出芯片尺寸封装( c h i ps i z ep a c k a g e c s p ) ，这两种封装的实质是样的。 c s p 的封装面积芯片面积 = 1 2 ：1 。这样，c s p 解决了长期存在的芯片小而封装 大的根本矛盾，足以再次引发一场集成电路封装技术的革命。 以上介绍的集成电路封装的发展历程( 如图1 2 所示) 是在i c 技术发展和 市场需求的不断推动下实现的。整个集成电路封装技术的发展历程伴随着封装各 级互连技术的不断演变”1 ： 芯片互连 引线键合一t a b 一倒装芯片 封装互连 p t h s m t 一窄节距s m t b g as m t c s ps m t 单芯片封装 d i p q f p t q f p b g a c s p 脚c “日 脚敢 s m t f g a b “ 熏重黧噬垂塑一垄垂貔 图1 2集成电路封装的发展进程 至今，封装技术已从简单的d i p 封装发展到复杂结构的c s p 、m c m ( 多芯片 组件) 和圆片级封装。甚至跳过传统封装工艺的级互连，直接将芯片贴装在线 路板上，称为直接芯片贴装技术( d i r e c tc h i pa t t a c h m e n t d c a ) 。 复旦大学硕士学位论文4 第一章引言 封装与电路板互连的发展历程如图1 3 所示，说明了从引脚通孔插装到s m t ， 再到面阵列的技术发展方向。当前，s m t 已进入微组装、高密度组装和立体组装 技术的新阶段，m c m ( 多芯片组件) 、b g a ( 球栅阵列) 、c s p ( 芯片尺寸封装) 等新 型表面组装元器件快速发展并大量应用。c s p 以其芯片面积与封装面积接近相 等、可进行与常规封装i c 相同的处理和试验、可进行老化筛选、制造成本低等 特点，从9 0 年代初期脱颖而出。 ， 名某盒嚣 球栅阵列 一 霎囊s 窄m 节t 距 b g a 芯片倒装 一通孔撇( s 娥m t ) 图1 3 集成电路封装与电路板互连的发展历程 1 3 b 6 a 和c s p 封装技术及其无铅化进程 1 3 1b g a 封装的基本概念和特点 板 b g a ( b a l lg r i da r r a y ) 封装即“球栅阵列封装”，它是在基板的背面按阵 列方式制出焊料球作为外引脚来实现芯片与p c b 板的连接，芯片和基板间采用引 线键合或倒装焊的连接方式。b g a 具有引脚短、引线电感和电容小：焊点中心距 大、组装成品率高；引脚牢固、共面状况好；适合m c m 的封装需要，有利于实现 m c m 的高密度、高性能要求等一系列优点。 复旦大学硕士学位论文5 嬲 啪 鲫 螂 姗 第一章引言 然而，b g a 也存在一些缺陷，如组装后焊点不外露，组装质量检测困难。不 能进行焊点的局部返修，个别焊点不良也必须整体从基板上脱离下来重新焊接 等。 b g a 比s o p 和o f p 封装都要贵，只有在2 5 0 i 0 以上的器件上使用才更经济。 在过去几年中，c s p 的出现改变了阵列封装的地位。由于其精细的引脚间距和低 成本。可以适用于少于3 6 个引脚的器件。它为阵列封装开辟了一个市场，使其 市场占有率能从过去的5 上升到将来的6 0 。 1 3 2c s p 封装的基本概念和特点 c s p 是c h i ps c a l ep a c k a g e 的缩写，称为芯片尺寸封装。是指一种封装面 积等于或略大于裸芯片面积的单芯片封装技术。采用该技术能解决芯片与封装的 矛盾( 芯片小，封装大) 问题、m c m ( 多芯片组件) 裸芯片不能取拿、预测、老化 筛选等问题。c s p 技术是芯片级封装技术，它的结构形式其实是以引线键合的 l o c ( l e a do i lc h i p ) 和b o a 等所采用的封装基本形式的改进或延伸。 b g a 的焊球间距大于等于0 8 m m ，引脚数大于5 0 0 个，而c s p 的焊球间距小 于等于0 8 m m ( 0 5 ；0 7 5 ；0 8 m m ) ，封装的尺寸不大于芯片尺寸的1 2 0 。c s p 目前尚无确切定义，不同厂商有不同的说法。j e d e c ( 联合电子器件工程委员会 ( 美国e i a 协会) ) 的卜s t k - - 0 1 2 标准规定：l s i 封装产品面积小于或等于l s i 芯片面积的1 2 0 的这种产品，称为c s p 。日本松下电子工业公司将l s i 封装产 品的每边的宽度比其芯片大1 o m m 以内的产品称为c s p 。 总之，c s p 是在b g a 基础上发展起来的，极接近芯片尺寸的封装产品。这种 产品具有以下几个特点： ( 1 ) 体积极小。c s p 是目前为止体积最小的封装之一。引脚数相同的l s i ， c s p 的面积不到0 5 m m 间距q f p 的十分之一，只有b g a 的三分之一到十分之一。 ( 2 ) c s p 的电性能良好。c s p 内部的布线长度比q f p 或b g a 的布线长度短得 多，寄生电容很小，信号传输延迟时间短，即使时钟频率超过i o o m h g 的l s i 也 复旦大学硕士学位论文6 第一章引言 可以采用c s p 。 ( 3 ) c s p 的散热性能优良。 由于对便携产品如手机、便携摄像机、数码相机、p d a 等的需求空前高涨， c s p 成为近年来最重要的封装形式。c s p 的产量从1 9 9 7 年的3 千5 百万上升至 2 0 0 0 年的1 9 亿，到2 0 0 5 年会有1 0 0 亿。轻薄和低成本的便携产品要求轻薄和 低成本的封装，这种趋势使得封装进入了c s p 产品的时代。 1 3 3 焊料的无铅化进程 成本较低的p b - s n 焊锡合金是现代电子工业中使用最广的焊接剂材料，其独 特的物理特性( 相对较低的熔点) 和机械特性( 较好的热疲劳可靠性) 促成了 p c b 板的一些装配选择，提供了有创意的先进封装技术发展的机会，如倒装焊、 球阵列封装、晶片级芯片尺寸封装。在这些封装技术中，锡铅焊料是p c b 板安装 的电子和机械“胶水”。电子焊锡约占所有铅用量的0 5 ，但铅对人体极为有害， 会导致神经系统和生育系统紊乱、神经和身体发育迟缓，会对肾脏形成中毒性肾 病、对血红蛋白形成障碍，最后导致贫血，铅中毒特别对年幼儿童的神经发育有 极大危害”j 。 为此，世界各国已制定法律来控制铅等有毒物质的使用，欧盟于2 0 0 2 年1 0 月完成的w e e e ( w a s t ee l e c t r o n i c sa n de l e c t r i c a le q u i p m e n t ) 废弃电子电 机设备指令。2 0 0 3 年2 月1 3 日公告危害物质禁用指令( r e s t r i c to fh a z a r d o u s s u b s t a n c e ，简称r o h s ) ，r o h s 法令正式实施的日期2 0 0 6 年7 月1 日。 日本企业出于商业及市场的考虑，对电子制造的无铅化非常积极，并视之为 日本产业界的一次巨大机遇。日本已成为世界上无铅元器件、无铅材料和无铅系 统产品的最大供货方，大多数电子加工商和组装厂在2 0 0 1 年就已经完成了无铅 生产工艺的准备，从2 0 0 3 年到2 0 0 5 年，日本制造商将全面实现电子整机和相关 组装件中的无铅化工作，2 0 1 0 年，只允许极个别的产品使用有铅工艺，到2 0 1 5 年，完全禁止铅的使用。现在日本在无铅焊接技术上，已超过欧美，处于世界领 先地位 2 i 。 在世贸组织原则下，市场准入门槛的环保法令将直接影响各国的产品进出口 额。欧盟的指令到2 0 0 6 年7 月一旦如期生效，以我国电子产品现行环保状 况，将无法进入欧盟市场。中国信息产业部也发出指令要求电子产品的铅含量的 控制也要和欧洲同步，在2 0 0 6 年的7 月1 号前实施无铅工艺，所有的出口产品 也就要达到欧洲相关指令的标准。但是，我国在无铅焊接技术及其材料的研究方 面还较落后，虽然已在进行相关研究，但基本是处于采用国外材料和工艺技术的 应用性研究阶段，有计划的开发性研究方面尚很欠缺，对相关的材料、工艺、标 复旦大学硕士学位论文7 第一章引言 准等内容的研究尚有待于政府层面的策划和组织。面临日本、美国和欧洲的禁铅 政策和国际环保政策门槛限制，必须加大对无铅焊接技术的研究力度，尽快实现 我国电子产品制造的无铅焊接。 无铅技术在生产过程中的实施还存在着一些困难。第一，在选择无铅焊锡供 应商时，如果忽视无铅合金兼容性的问题，可能造成产品的腐蚀和损坏。第二， 由于无铅波峰焊比般波峰焊要高2 0 度到3 0 度，高温会使p c b 板变形翘起，所 以生产用于基站等大型设备的p c b 仍很困难。第三，无铅焊接过程中焊脚提起、 锡须和焊点中的空洞等焊接缺陷比锡铅工艺中发生的多，检测变得更加复杂。第 四，由于表面张力和粘度的改变使得返工十分困难。第五，焊接过程的温度、时 间和合金成分的确定没有统一的标准。许多大厂商都意识到问题的严重性，他们 己经开始致力于解决这些问题。 目前，替代锡铅合金成为无铅焊锡的合金材料有三种一锡银铜、锡铜和 锡银铜铋。美国和欧洲的厂商看好s n a g c u 合金，而日本的厂商则倾向于 s n a g c u b i 合金。这些合金中很多是在原来二元体系中加入微量第3 种f 3 】，甚 至第4 种元素，其目的是为了降低熔点、增加湿度和可靠性。据报道，随着添加 型元素的增加，合金的熔点会降低；化学键强度开始快速降低，然后几乎不变， 最后又开始降低；吸湿性开始快速增加，在化学键强度保持不变的中间点所对应 的化学成分处达到最大值，然后开始下降。目前可用的无铅焊料主要是由以下这 些组分： 锡9 6 5 银3 5 ( s n 9 6 5 a 9 3 5 ) s n 9 6 5 a 9 3 5 ( 2 2 1 ) 是最有应用潜力的合金材料，已经在国家制造科学 中心( n c m s ) 、福特、摩托罗拉和t i 等使用。德国的研究表明，它是最合适的合 金，而且使用折中合金也有很多的经验。i n d i u m 公司报告说，这种合金在s n 含 量高的合金所制的回流焊料中吸湿性最低。 锡9 9 3 铜0 7 ( s n 9 9 3 c u o 7 ) s n 9 9 3 c u o 7 ( 2 2 7 。c ) 是由n o r t e l 公司首先报道的，在电话机制造中，其质 量与共熔的s n p b 一致。在空气回流中，吸湿性降低，薄片呈现出一定粗糙度。 在所有无铅焊料中，这种合金可能是力学性能最差的一种，由于材料价格低廉、 对波反映迟钝，适合于波峰焊中使用。 锡银铜( s n a g c u ) s n a g c u 是三元系合金( 2 1 7 ) ，实际的成分含量需要进一步澄清。铜加到 s n a g 中，是为了降低铜的分解，降低熔点，提高吸湿性、机械延展性和热疲劳 特性。诺基亚公司和m u l t i c o r e 公司使用这种材料，其产量和可靠性都与共熔 复旦大学硕士学位论文8 第一章引言 s n p b 合金相当甚至更好。b r i t e e u r a m 项目的结果表明，这种材料的可靠性和可 焊接性优于s n a g 、s n c u 合金，并且推荐广泛使用这种合金。典型配方如下： s n 9 3 6 a 9 4 7 c u l 7 ( 2 1 6 2 1 8 。c ，a m e s 实验室，专利号u s p 5 5 2 7 6 2 8 ，专利 涵盖的银含量3 5 一7 7 ，铜的含量1 一4 ，b i 的含量0 - 1 0 ，剩下的为s n 的含 量) s n 9 5 a 9 4 o c u l ( 2 1 7 2 1 9 ，a m e s 实验室) s n 9 6 5 a 9 3 0 c u 0 5 ( h a r r i sb r a z i n g 公司) s n 9 5 5 a 9 3 8 c u 0 7 ( 2 1 7 - 2 1 9 ) s n 9 5 5 a 9 4 0 c u 0 5 ( 2 1 7 2 1 9 ，5 0 年前发表，专利失效) s n 9 6 3 a 9 3 2 c u o 5 ( 2 1 7 2 1 8 ) s n 9 5 7 5 a 9 3 5 c u o 7 5 ( s e n j u 公司，专利号j p 5 0 5 0 2 8 6 ，专利覆盖银的含 量3 一5 ，铜的含量0 5 一3 ，s b 的含量0 5 ，剩下的为s n 的含量) 锡银铜+ 其他( s n a g c u x ) s n 9 6 2 a 9 2 5 c u o 8 s b 0 5 ( 2 1 3 2 1 8 ，a i m 公司) ，目前由国际锡研究所 ( i t r i ) 、郎讯、福特和圣地亚实验室使用，其抗疲劳特性优于共熔s n p b 合金。 b r i t e e u r a m 项目研究报告显示，多加0 5 的s b 可以加强合金的强度。 s n 9 7 c u 2 s b o 8 a g o 2 ( 2 2 6 2 2 8 ) 可以应用在波峰焊和手工焊中。 s n a g c u i n ( t a m u r a ) 也具有定的应用价值。 锡银铋+ 其他( s n a g b i x ) 在s n a g 系统中加入含量少于5 的b i ，可以降低熔点，提高吸湿性。i n d i u m 公司和松下公司的研究表明，在无铅合金中，这一种的可焊接性能最好。n c m s 观察到在波峰焊时，穿过孔的连接中有薄片上浮的现象，虽然其他合金，如 s n 9 6 5 a 9 3 5 也有这种情况，但程度要低一些。薄片上浮是由于焊料和p c b 板 之间的热膨胀系数不匹配造成的，由焊料部分加以放大。可以通过添加其他成分 来得到改善。加铜或加锗可以使强度增高，吸湿性增强。在s n b i 合金中加入p b 得到的三元系共熔点为9 6 ，形成了b i 5 2 p b 3 2 s n l 6 合金。计算结果表明，在 p b 含量固定为6 情况下，b i 含量 4 8 也可以获得这种共熔液态形式，因此， 可以避免s n p b 的表面终端出现。日本电子工业促进会推荐s n a g c u 和s n a g b i 两 种合金。下面给出一些应用的配方，全部具有专利 4 】。 s n 9 1 8 a 9 3 4 b i 4 8 ( 2 0 2 2 1 5 ，圣地亚实验室专利，专利号为 u s p 5 4 3 9 6 3 9 ，专利中包含了银的含量3 一4 ，b i 的含量3 一5 ，剩下的为s n 的 含量) ，这种材料与共熔的s n a g 和s n b i 一起，被n c m s 认为是最有应用潜力的合 金。 s n 9 3 5 a 9 3 5 b i 3 ( 2 1 0 2 1 7 ，n i h o nh a n d a 公司) 复旦大学硕士学位论文9 第一章引言 s n 9 0 5 b i 7 5 a 9 2 ( 1 9 1 2 1 0 ，t a m u r ak a t e n 公司) s n a g b i ( 松下公司) s n 9 4 a 9 3 b i 3 ( 2 1 3 ) s n 9 2 a 9 3 b i 5 ( 2 l o ) s n 9 2 7 a 9 3 2 b i 3 c u l 1 g e ( 日本焊料) s n 9 3 a 9 3 5 b i o 5 i n 3 ( h a r i m a ，m i t s u i 金属公司) 添加了大量的b i ( 含量从5 一2 0 ) ，对材料而言，其熔点低于s n p b 焊料的熔 点，但是却牺牲了共熔s n a g 系统的一些好的特性。另外，将会制造出共熔点为 1 3 8 。c 的b i 5 8 s n 4 2 合金。在电子产品中，由于电极上电镀中含铅，所带来的界 面问题将影响到可靠性。这种材料在降低制造成本方面有潜力。材料的一些配方 如下： s n a 9 2 b i 7 5 c u o 5 ( a l l o yh 和a l p h a 金属公司使用，由i t r i 公司开 发) s n a 9 2 0 - 2 8 b i l 3 - 1 7 c u 0 - i ( 日立公司) s n a 9 2 8 b i l o c u o 6 ( o n o 公司) s n a g b i 3 ( 2 1 0 ，松下公司) s n a g b i 6 ( 2 2 0 ，松下公司) s n a g b i i 0 ( 2 0 5 。c ，松下公司) s n a g b i l 5 ( 2 0 9 。c ，松下公司) 锡锑( s n s b ) s n 9 5 s b 5 ( 2 3 2 2 4 0 ) ，吸湿性较差，虽然比s n 9 6 5 a 9 3 5 略好一点，但 液相线温度太高。 锡锌+ 其他( s n z n x ) s n 9 1 z n 9 ( 共熔温度为1 9 9 。c ) 可反应性较差，这是因为z n 会导致氧化和腐 蚀，与液相反应形成硬化的胶。日本本土电子制造商对s n 8 9 z n 8 b i 3 非常感兴 趣，其中用b i 替代了部分z n ，减少在潮湿环境中z n 的腐蚀性。s n z n b i 合金的 共熔点与s n p b 的非常接近。这些合金由本土电子制造商用来做低成本的产品口j 。 s n 9 0 z n 9 i n l ( a t & t 公司) s n 8 9 z n 8 b i 3 ( 1 9 1 1 9 5 ，松下公司，s e n j u 公司) s n z n b i x ( 日立h a r i m a 公司，t a m u r a 公司) 锡铋( s n b i ) b i 5 8 s n 4 2 ( 1 3 8 ) 由n c m s 推荐使用。共熔的b i 5 8 s n 4 2 具有粗糙化倾向。 由h e w l e t t p a c k a r d 公司报道，宣称这种材料的特性要等于甚至好于共熔s n p b ， 可以在低温情况下和消费类产品中得到应用。加入1 的铜可以显著减慢共熔 复旦大学硕士学位论文】o 第一章引言 s n b i 粗糙化的趋势。目前关心以下问题：( 1 ) 在p b 表面终端形成共熔 b i 5 2 p b 3 2 s n l 6 ( 9 6 。c ) ；( 2 ) 在p b 开采时，b i 是副产品；( 3 ) 在回收时，从 c u 中分离出b i 存在困难。 在替换铅材料中，包括寻找可替换铅的焊料合金材料，有很多需要考虑的方面。 目前一个大问题就是，这些合金替代物的绝大部分都需要较高的处理温度，有时 是元器件或衬底材料无法承受的。例如，电解电容很容易受到高温破坏。继电器 等元件，在高温下会受到破坏，而且在塑封集成电路邻近有效期限时，出现爆米 花效应的趋势增加。另外，在2 5 0 左右，对记忆体集成电路会造成参数破坏。 如以前所提到的，p c b 和b g a 聚合体衬底材料和焊料罩都将经历更高的工艺温度 的影响。用作连接隔离的塑料材料在高温下将变形。所以这些问题给材料工作者 和设计人员带来了巨大的挑战【6 j 。 1 4 封装的可靠性和失效分析 i 4 1 可靠性的概念 所谓可靠性，就是指一个产品在规定的时间内和规定的条件下完成所需要的 功能而用概率来表示的一种产品特性。可靠性是产品质量的一个重要指标。集成 电路器件在贮存、运输和使用过程中，所遇到的各种环境条件是非常复杂的，越 来越多的电子封装被应用于严苛的环境中。例如会遇到比重力高很多倍的振动、 冲击等机械作用，也可能遇到潮湿、盐雾或各种射线辐照等恶劣的环境，并且也 可能要求电路能够在低温、高温条件下进行正常工作。因此必须针对不同的用途， 对集成电路器件进行不同项目、不同强度的可靠性试验和可靠性分析。 可靠性技术涉及下面四个问题：失效何时产生、失效因何产生、怎样防止失 效、电子产品期望达到的可靠性。 为确保封装可靠性，新器件在投产前需进行大量的可靠性测试。理论上讲， 测试应该在封装今后使用的环境中进行。但是，大多数情况下许多电子产品所设 计的使用寿命足够长，不可能在实际使用的情况下进行测试。在实验室中往往采 用加速实验来收集可靠性数据和检测产品的质量。在加速实验中，器件要比在正 常使用情况下经历更高的应力，通过加速失效机理，可以比实际条件下更快观察 到失效的模式，在较短时间内收集可靠性数据。 i c 器件在使用过程中会慢慢的功能衰退或失效，各种各样的机理都有可能 导致器件的失效，因此，必须在特定的容忍限度内对失效加以明确的界定。早期 复旦大学硕士学位论文i 第一章引言 的失效可能来自于不当的设计、有缺陷的制造工艺或者不合理的使用。同样，老 化过程、材料疲劳、过度的损耗、环境腐蚀、不符合要求的环境等均可导致器件 的失效，这些失效般发生在以后较长的一段时间里。 t i m e ( h o u r s ) 图1 4i c 器件失效的浴盆曲线 i c 器件的失效率遵循着一个本质的特定模式。通过研究发现，在工作的初 始阶段，系统展现出一个很高的失效率，称为早期失效期。随后的一段较长的时 期，则表现出很低的失效率，称为偶然失效期。这个阶段失效率呈现出微小的变 化，直到下个阶段的到来。在随后的老化期中，失效率迅速上升，这个阶段的失 效主要由老化和损坏的累积所致。综上，器件全寿命期的失效率分布曲线好似一 个浴盆，我们称之为浴盆曲线，见图1 4 。 微电子器件在寿命期，失效机理也发生变化。其失效机理的分类按照工艺可 分为与芯片有关的失效机理和与封装有关的失效机理。按照失效部位又分为氧化 层、金属化、扩散区、引线、封装等。下面列出器件寿命期各阶段的失效机理。 早期失效期( i n f a n t使用期( 偶然失效)磨损失效期( w e a r o u t ) o r t a l i t y ) r a n d o m 光n 掩模缺陷软误差电迁移 金属化缺陷 氧化层缺陷 热电子效应 沾污，空洞，微裂缝，划闩锁效应氧化层退化 痕，接触不良沾污离子沾污 粒子沾污 表面电荷( 离子沾污)接触不良 复旦大学硕士学位论文1 2 第一章引言 表面沾污 硅片缺陷钝化层极化 硅( 本体) 沾污微裂缝 慢陷阱 金属间化合物生长金属间化合物生长金属间化合物 ( a u a 1 )( a u a 1 )引线疲劳 密封不良密封不良金丝蠕变，晶粒长大 引线键合不良引线键合不良 铝一硅过合金 离子注入不合要求芯片键合不良封装腐蚀 密封不良 环氧树脂分解 表面电荷 表1 1 器件寿命期各阶段的失效机理 大多数器件在其使用期的初期表现出一个逐渐降低的失效率( d f r ) ，这是由 于器件中有一些比较脆弱，它们往往比一般器件的寿命要短得多。这些短寿命的 器件的产生可能是由以下原因导致的：员工的不正确操作、受污染的环境、仪器 设备的电压波动、有缺陷的源材料、低效率的检测以及不恰当的装运和搬动等。 如果将这些器件卖给顾客，或者用它们组装成模块或系统，那么所有的那些缺陷 都有可能导致早期失效。根据经验，相当多的缺陷可以在“早期失效产品”使用 期的第一年被发现。这种早期的高危害概率被称为早期失效率，因为此时的产品 仍属于初始期，还没有足够的成熟以投放市场。值得注意的是，早期失效是针对 大批量的器件而言的，而非只针对单个器件。一个单一的器件要么通过测试，要 么通不过，只有大批量器件的失效率才可以呈现上述的下降曲线【”。 1 5 焊料中的金属间化合物 当两种金属相接触，在它们的界面原子发生相互扩散。扩散的结果是界面生 成金属的混合物或金属间化合物。对于焊接来说，生成金属的混合物或金属间化 合物可以提高焊接时的浸润性和焊接强度。但是，若生成的金属的混合物或金属 间化合物的机械性能很差，热膨胀系数与原来的材料相差很大，那就会引起很多 可靠性问题。 焊料一般都是合金，如将要被取代的铅锡合金，铟锡合金以及现在的无铅合 金。组成合金的元素往往能结合成多种金属间化合物，或与被焊接金属结合成多 复旦大学硕士学位论文1 3 第一章引言 种金属间化合物，如铜与锡有c u 。s n ，c u 。s n ；，金与锡有a u s n 4 ，a u s n ：，a u s n a 几种金 属间化合物哆l 。 1 5 1 金属间化合物影响焊接的原因 金属间化合物可能出现在两个部位，一个部位是焊料自身随着温度和时间发 生金相的变化；第二个部位是在焊料与被焊接金属间发生的扩散和生成金属间化 合物。金属间化合物对焊接可靠性有很大的影响，其原因主要有三点： 1 、因为生成金属间化合物时要消耗一定的焊接表面金属，使焊接表面原来 金属的厚度降低，可能使衬底上与焊料浸润性较差的金属表面暴露出来，导致与 焊料的浸润性降低，有效焊接面积减小。 2 、生成金属间化合物时也要消耗一定量焊接表面的焊料，改变金属间化合 物附近区域焊料的组分。如在p b - s n 焊料焊接时，沿金属间化合物界面分别形成 富铅区和富锡区。从微观角度，这些结构异常的区域，成为应力的集中点，使得 该处易于发生疲劳损伤。 3 、由于一般金属间化合物的性能较脆，焊接界面的金属间化合物使得焊接 强度降低。 1 5 2 金属间化合物生长 1 、材料体内产生金属间化合物 以铅锡焊料为例，来看焊料本身的变化。所用的铅锡焊料较多的是共晶合金。 它含有6 1 _ 9 的锡和3 8 1 的铅。在其共晶温度1 8 3 。c 等温过程时，从液态发生 变化，出现两种相铅锡合金：含锡1 9 w t 的q 相和含锡9 7 5 w t 的b 相。 2 、焊接界面的金属间化合物 在焊接时，焊料与被焊接金属的表面发生相互溶解，并出现金属间化合物， 如铅锡焊料与铜焊接时，已经知道，生成的两种金属间化合物是c u 。s n s ( r l 相) 和 c u ：，s n ( 1 相) 。 金属间化合物的物理性能 金属间化合物中的原予相互键合得比较牢固，与焊料相比，它们的机械强度 较高。从下表可以看到，这几种金属间化合物的v i c k e r s 硬度很高，都大于 3 0 0 k g m m 2 复旦大学硕士学位论文1 4 第一章引言 p r o p e r t y c us nn ic u 6 s n sc u 3 s nn i 。s n 。 d e n s i t y ( g c 一) 8 97 38 98 2 88 98 6 5 y 。u i i g ，sm o d u l e s ( g p s ) 1 1 74 l2 1 38 5 5 61 0 8 31 3 3 3 s h e a rm 。d u l u s ( g p a )5 0 2 l4 2 4 14 5 o t o u g h n e s s ( 册a m 。止) 1 41 71 2 v i c k e r s 3 0i 0 0 1 5 3 7 8 3 4 33 6 5 h a r d n e s s ( k g m m ) e l e c t r i c a l17 1 1 57 8 1 7 58 9 32 8 5 r e s i s t i v i t y ( p0 c m ) t h e r m a l3 9 8o 6 70 9 0 53 4 17 0 41 9 6 c o n d u c t i v i t y ( w ( 皿k ) ) t h e r m a l0 1 4 5o 2 40 0 8 3 d i f f u s i v i t y ( c m 2 s ) s p e c i f i c 0 3 8 50 2 2 70 4 3 92 8 63 2 62 7 2 h e a t ( j ( k g k ) ) t h e r m a l1 7 12 31 2 91 6 31 9 o1 3 7 e x p a n s i o n ( 1 0 1 k ) 表1 2 各种金属及化合物的物理性质 焊接强度依赖于金属间化合物的厚度。如铅锡焊料，在焊接时，若金属间化 合物的厚度太薄，则是焊接强度不够：但若厚度太厚，因金属间化合物c u 。s n 。( q 相) 和c u ；s n ( 相) 较脆，在切应力作用下，易于发生断裂。当热处理或热循环 时，金属间化合物变厚就易于出现机械强度降低而断裂。随着形变率不同，断裂 位置也有变化。当形变率低于0 o l n _ 1 i n m i n 时，断裂位置在焊料体内。当形变率 大于0 o l m m m i n 时，断裂位置在金属间化合物界面。 1 6 电子封装的失效分析 失效分析是通过电子、物理和化学方法对电子封装中的失效模式和失效机理 的研究。针对不同的失效机理，可以从设计和制造工艺的角度对封装器件进行改 进，防止类似失效的再次发生。随着微电子封装技术的发展，器件的小型化和多 功能化要求更高的可靠性，相应的先进失效分析工具和手段也不断出现。如扫描 复旦大学硕士学位论文1 5 第一章引言 电子显微镜( s e m ) ，c 模式超声显微镜( c s a m ) ，聚焦离子束( f i b ) 等微分析手 段。 失效分析的一般步骤为：详细记录失效现象；对样品进行光学显微镜和超声 显微镜等无损检测；随后进行开封或样品剖面的观察检测；对失效的关键点进行 结构和成分的物理和化学分析：结合以上得到的结果分析可能的失效机理：最后 是根据失效机理找出设计、材料和工艺等的改进措施。 失效模式是失效的外部表现，元器件在各种应力的作用下，会产生单个或同 时产生多种失效机理，进而从某一机理衍生出另一机理，最终，就显现出若干种 失效模式。一个特定的失效模式是指由材料特性和周围环境等综合作用的一些过 程所导致的结果。这些过程称为这个特定失效模式的失效机理。现今电子封装中 的电学和化学反应也是引起热应力失效的重要因素。 失效机理主要分为两大类：过应力和磨损。过应力失效通常是瞬间的和突然 发生的。磨损失效是长时间的损耗积累，通常先是产品性能下降，然后器件失效。 根据诱发失效机理的应力类型进一步分为机械的、热学的、电学的、辐射的或化 学的。 多种的环境应力因素( 如温度、湿度、冲击和振动) 可以导致b g a 焊点失效。 过载失效发生在外部施加的