SnAgCu体钎料及BGA焊球焊点纳米级力学性能

1、第27卷第9期电子元件与材料V ol.27 No.9 2008年9月ELECTRONIC COMPONENTS AND MATERIALS Sep. 2008 SnAgCu体钎料及BGA焊球焊点纳米级力学性能颜廷亮1,孙凤莲1,马鑫2,王丽凤1(1. 哈尔滨理工大学 材料科学与工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040;2. 亿铖达工业有限公司,广东 深圳 518101摘要: 为了研究低银Sn-0.3Ag-0.7Cu无铅体钎料、BGA焊料小球和BGA焊点的力学行为,基于物理反分析的方法采用纳米压痕仪对其进行实验。从压痕载荷深度曲线提取出弹性模量、硬度和蠕变速率敏感指数。结果表明:体钎料的杨氏模量和

2、蠕变速率敏感指数大约是BGA焊料小球和BGA焊点的2.5倍,验证了尺寸效应理论。采用纳米压痕仪测出的体钎料维氏硬度(15.101 HV小于显微硬度计的测量结果(20.660 HV。关键词: 电子技术;电子封装技术;纳米压痕;Sn-0.3Ag-0.7Cu无铅钎料中图分类号: TG113;TG115 文献标识码:A 文章编号:1001-2028(200809-0069-04Nano-mechanical properties of SnAgCu bulk solder and BGAsolder ball and solder jointYAN Ting-liang1, SUN Feng-lian

3、1, MA Xin2, WANG Li-feng1(1. School of Material Science & Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150040, China; 2. YikShing Tat Industrial Co., Ltd, Shenzhen 518101, Guangdong Province, ChinaAbstract: Nanoindentation apparatus with physics anti analysis method were perf

4、ormed on the Sn-0.3Ag-0.7Cu bulk solder, BGA solder ball and BGA solder joint in order to measure their mechanical behavior. The Youngs modulus, the hardness and the creep rate sensitivity exponent of them were obtained from indentation load-depth curves. The result indicates that the Youngs modulus

5、 and the creep rate sensitivity exponent of bulk solder is 2.5 times that of the BGA solder ball and BGA solder joint approximately. The Vickers hardness value (15.101 HV measured by the nanoindentation apparatus is smaller than that of the test value (20.660 HV measured by the microhardness meter.K

6、ey words: electron technology; electronic packaging technology; nanoindentation; Sn-0.3Ag-0.7Cu lead-free solder目前,球栅阵列封装(BGA技术正广泛应用于微电子封装领域,表面组装技术(SMT也逐渐进入BGA 组装时代。BGA焊点的可靠性与BGA焊料小球(以下简称焊球的蠕变性能有很大关系,传统测量蠕变参数的标准试验是单轴拉伸蠕变测试,需要大量的试样和测试时间,而采用压痕蠕变测试技术仅需要很小体积的材料1,因此纳米压痕技术恰好满足BGA封装体积小的特点。纳米压痕法的应用为测量微小体积焊点

7、的力学性能参数提供了可能2。纳米压痕试验可连续记录压痕载荷P和压入位移h,从而得到P-h曲线。根据物理反分析方法提取钎料力学信息进而确定其力学性能参数。对于弹塑性材料,相应方法已日趋成熟,通过Oliver-Pharr方法3,可以得到材料的硬度、弹性模量等参数。同时随着电子产品更新换代的加速及人类环境保护意识的增强,兴起了开发无铅钎料的研究4。目前国内无铅钎料的使用和研发主要集中在Sn-Cu、Sn-Bi、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Sn-Ag-Bi和Sn-Zn-Bi等系列合金。低银Sn-0.3Ag-0.7Cu无铅钎料由于具有较高的性价比,越来越受到关注5。笔者基于纳米压痕法对Sn-0.3Ag-

8、0.7Cu 合金体钎料、BGA焊球及BGA焊点进行压痕试验,对压痕载荷位移曲线采用物理反分析的方法确定被测材料的力学性能参数,研究了尺寸效应对钎料力学性能的影响。同时对采用纳米压痕仪和显微硬度计得到的参数进行对比。收稿日期:2008-04-05 通讯作者:孙凤莲基金项目:国家自然科学基金资助项目(No. 50575060作者简介:孙凤莲(1957-,女,河北邯郸人,教授,主要从事精密焊接、绿色电子组装技术及可靠性研究。Tel: (045186392511;E-mail: sunflian ;颜廷亮(1981-,男,黑龙江哈尔滨人,研究生,研究方向为电子封装无铅钎料及焊点可靠性的研究。Tel:

9、(045186319336,138*;E-mail: yantingliang219 。研究与试制70颜廷亮等:SnAgCu 体钎料及BGA 焊球焊点纳米级力学性能V ol.27No.9Sep. 20081 试验采用深圳亿铖达焊锡制造有限公司生产的Sn-0.3Ag-0.7Cu 无铅锡条,熔点217227 。体钎料经过重熔浇注并加工成直径为8 mm ,高为5 mm 的圆柱体。BGA 焊球采用熔盐保护法制作,质量为2 mg ,直径约为0.76 mm 。BGA 焊点由BGA 焊球经过回流焊制得。BGA 焊球与PWB 上Cu 焊盘间采用环盛电子有限公司生产的千住锡膏,型号M705,合金成分Sn-3.0

10、Ag-0.5Cu ,熔点为217221 。试验仪器采用瑞士CSM 公司NHT 型纳米压痕仪,系统的载荷分辨率为0.04 µN ,位移分辨率为0.04 nm 。采用金刚石Berkovich 型压头。由于钎料合金的非均质性,压痕试验采用大载荷以避免单质相的压痕,体钎料、BGA 焊球、BGA 焊点压痕测试所用的最大载荷为300 mN 。加载速率分别为1,5,10,20和50 mN/s ,为得到焊点钎料P -h 曲线的蠕变特征,在最大载荷处保持5 s ,然后卸载,卸载速率为50 mN/s 。测量体钎料的压痕硬度,最大载荷300 mN ,加载速率10 mN/s ,卸载速率80 mN/s ,保持

11、时间0 s 。显微硬度计为国产HIXB 1000型。2 力学性能参数2.1 杨氏模量纳米压痕仪在测量杨氏模量时采用Oliver 与Pharr 方法,其中引入接触深度h c 的概念。sP h h maxmax c = (1 式中:h max 为最大压痕深度;P max 为最大压痕载荷;为与压头形状有关的常数,对于Berovich 压头,压头形状常数 = 0.72;S 为卸载曲线初期斜率。当h = h max 时eff 2d d E A h P S =(2 式中:P 为载荷;压头非对称的修正系数为1.034;E eff 为有效的弹性模量;A 为纳米压痕仪三角锥形压头的接触面积2c 5.24h A

12、= (3有效的弹性模量E eff 为ASE 12eff = (4 试验材料与压头材料的杨氏模量、泊松比之关系如公式(5所示。i2i 2eff 111E v E v E += (5 式中:E 和v 分别为试验材料的杨氏模量和泊松(Poission 比,E i 和v i 分别为压头材料的杨氏模量和泊松比。文中钎料的泊松比为0.3。 2.2 应变速率敏感指数推导蠕变速率敏感指数时应用Stilwell 和Tabor的压痕做功概念6,蠕变硬度H cr 可用公式(6描述。crcr cr V WH = (6(ml mu m cr h h P W = (3ml 3mu cr 3h h g V = 式中:g 为

13、Berkovich 压的形状因子(取24.56;W cr 为蠕变做功;V cr 为蠕变变形体积;h ml 为加载到最大载荷处位移;h mu 为初始卸载点位移。在描述硬度测试时存在一个半球形Johnson 弹塑性边界7,即整个测试过程中材料所发生的塑性变形都处于半球之内,半球之外则为纯弹性。塑性半径c 可表示为2/1y m 23=F c (7式中:y 为屈服强度(y = H /3.08。在给定加载速率及F m 情况下,H cr 一定,所产生的塑性半球也就固定。从而可以定义蠕变过程中的应变速率cr 为tc V t V V =113cr p cr cr (8 式中:V p 为塑性变形体积;t 为蠕变

14、时间;根据物理反分析与蠕变时间的关系,设本试验中钎料压痕蠕变时间为5 s 。根据以上分析,可以描述不同加载速率下的ln H cr和ln cr 的线性关系,从而得到钎料合金的蠕变应变敏感指数m 和应力敏感指数n ,蠕变应变速率敏感指数m = 1/ n 9。3 结果与分析3.1 压痕曲线图1分别给出了Sn-0.3Ag-0.7Cu 合金体钎料、BGA 焊球和BGA 焊点在不同加载速率下的P -h 曲线。在一定的加载速率条件下随着压痕载荷的增加,压入位移成非线性增加。当达到最大载荷P m 后保持一段第27卷 第 9 期 71颜廷亮等:SnAgCu 体钎料及BGA 焊球焊点纳米级力学性能 时间,产生明显

15、的蠕变特征,曲线中位移量包括加载最大载荷的位移h ml 、初始卸载点的位移h mu 及蠕变深度h (h =h mu h ml 。加载速率越大,加载曲线越陡,最大载荷处所产生的蠕变深度随加载速率的增加而增加。图2为Sn-0.3Ag-0.7Cu 无铅钎料BGA 焊点的压痕形貌。图1 Sn-0.3Ag-0.7Cu 体钎料(1、BGA 焊球(2及BGA 焊点(3的P -h 曲线Fig.1 P -h curves of the Sn-0.3Ag-0.7Cu bulk solder alloy (1, BGA solder ball(2 and BGA solder joint (3图2 Sn-0.3Ag

16、-0.7Cu BGA 焊点的压痕形貌Fig.2 Morphology of indentations on Sn-0.3Ag-0.7Cu BGA solder joint3.2 压痕蠕变曲线当加载达到最大载荷F m 保持一段时间时,由于蠕变的作用压入深度继续增加,且增加的程度取决于加载速率10。图3分别给出了Sn-0.3Ag-0.7Cu 合金体钎料、BGA 焊球和BGA 焊点在不同加载速率下的蠕变时间深度关系曲线。可以看出加载速率越大,曲线越陡。同一时刻的蠕变深度随加载速率的增加而增加。图3 Sn-0.3Ag-0.7Cu 体钎料(1BGA 小球(2及BGA 焊点(3的蠕变时间深度关系曲线Fig

17、.3 Creep timedepth curves of the Sn-0.3Ag-0.7Cu bulk solder alloy (1BGA solder ball (2 and BGA solder joint (3由方程(6和(8可以分别计算出不同加载速率下的蠕变硬度及蠕变应变速率。如图4所示为Sn-0.3Ag-0.7Cu 体钎料蠕变应变速率与蠕变硬度对数图4 Sn-0.3Ag-0.7Cu 体钎料蠕变应变速率与蠕变硬度对数关系的拟合曲线 Fig.4 Fitting curve of the creep strain rate and the creep hardness logarith

18、mrelation of the Sn-0.3Ag-0.7Cu bulk solder alloy的关系曲线,可以看出它们的对数值呈线性关系,通过拟合曲线的斜率确定Sn-0.3Ag-0.7Cu 体钎料的蠕变速率敏感指数m 为0.128。同理,Sn-0.3Ag-0.7Cu 钎料BGA 焊球和BGA 焊点的m 值分别为0.056和0.044。同时可以得到体钎料、BGA 焊球和BGA 焊点的应力敏感指数n 分别为7.824,17.787和22.692。通过对比可以看出体钎料的蠕变速率敏感指数m 大约是20 µm 0 2 4 6 8 10加载速率50 mN/s 20 mN/s 10 mN/s

19、 5 mN/s 1 mN/s0 2 4 6 8 10加载速率50 mN/s 20 mN/s10 mN/s5 mN/s 1 mN/s P m 0 2 46 8 10h / µm (3 35030025020015010050加载速率 50 mN/s20 mN/s 10 mN/s 5 mN/s 1 mN/s h ml h mu加载速率50 mN/s 20 mN/s 10 mN/s 5 mN/s 1 mN/s0 1 2 3 4 5t / s (2 1 000800600400200加载速率50 mN/s 20 mN/s 10 mN/s 5 mN/s 1 mN/s 0 1 2 3 4 5t

20、/ s (3 1 0008006004002000加载速率50 mN/s20 mN/s 10 mN/s 5 mN/s1 mN/s 11.0 10.6 10.2 9.8 9.4ln cr 12.1512.1012.0512.0011.9511.90l n H c r加载速率拟合曲线72颜廷亮等:SnAgCu 体钎料及BGA 焊球焊点纳米级力学性能V ol.27No.9Sep. 2008BGA 焊球和BGA 焊点的2.5倍。BGA 焊点的m 值小于BGA 焊球的m 值,说明回流焊条件使得钎料重熔过程发生,BGA 焊点钎料组织细化。因而BGA 焊点具有更高的抗蠕变能力。表1 杨氏模量表Tab.1 T

21、able of the Youngs moduli加载速率/(mN ·s1 E (体钎料/ GPaE (BGA 焊球/ GPa E (BGA 焊点/ GPa 50 72.122 26.418 29.19320 72.034 25.041 26.23510 69.740 23.912 27.466 5 57.713 25.169 27.9211 56.490 26.418 26.944平均值 65.620 25.392 27.548Sn-0.3Ag-0.7Cu 合金体钎料、BGA 焊球和BGA焊点的杨氏模量如表1所示,不同加载速率下的平均值分别为65.620,25.392和27.548

22、 GPa 。因此体钎料的杨氏模量大约是BGA 焊球和BGA 焊点的2.5倍,这恰好与蠕变速率敏感指数类似。 3.3 体钎料压痕硬度曲线图5为Sn-0.3Ag-0.7Cu 体钎料在纳米压痕仪上测得的压痕硬度曲线,实验测得的维氏硬度为15.101 HV ,而采用显微硬度计测得的维氏硬度为20.66 HV 。可以看出采用纳米压痕法得到的试验参数小于传统方图5 Sn-0.3Ag-0.7Cu 体钎料压痕硬度曲线Fig.5 Indentation hardness curve of the Sn-0.3Ag-0.7Cu bulk solder alloy法得到的参数。因此在评价材料硬度时要考虑试验手段的影

23、响因素。4 结论采用纳米压痕法对Sn-0.3Ag-0.7Cu 合金体钎料、BGA 焊球和BGA 焊点进行压痕试验,并推导出不同状态下的相关力学参数。Sn-0.3Ag-0.7Cu 合金体钎料的杨氏模量和蠕变速率敏感指数m 大约是BGA 焊球和BGA 焊点的2.5倍,验证了尺寸效应理论。纳米压痕法得到的维氏硬度值比显微硬度计得到的数值小。参考文献: 1 高阳, 文胜平, 王晓慧, 等. 纳米压痕法测量压痕蠕变的应用研究 J.航空材料学报, 2006, 26(3: 148-151. 2 王凤江, 钱乙余, 马鑫. 纳米压痕法测量Sn-Ag-Cu 无铅钎料BGA 焊点的力学性能参数 J. 金属学报,

24、2005, 41(7: 775-779.3 Oliver W C, Pharr G M. An improved technique for determining hardnessand elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments J. J Mater Res, 1992, 7: 1564. 4 Gao F, Takemoto T, Nishikawa H. Effects of Co and Ni addition onreactive diffusion between Sn-3.

25、5Ag solder and Cu during soldering andannealing J. Mater Sci Eng A, 2006, 420: 39-46. 5 王大勇, 顾小龙. 高性价比的Sn-0.3Ag-0.7Cu-A 无铅钎料 J. 浙江冶金, 2006, 3(8: 18-20.6 Stilwell N A, Tabor D. Elastic recovery of conical indentations J. ProcPhys Soc, 1961, 78: 169-179.7 Johnson K L. The correlation of indentation experiments J. J Mech PhysSolid, 1970, 18: 115-126.8 Tabor D. Hardness of Metals M. London: Oxford University Press, 1951.38-43.9