电子元件可靠性

1、可靠性l可靠性基本概念：l产品在规定的时间、规定的条件下，完成规定功能的能力。l可靠性量化定义-可靠度（概率R）可靠度R(t):表示在规定的条件下使用一段时间t后，完成规定功能的概率。累积失效概率F（t）：表示产品在规定条件下工作到t这段时间内的失效概率。F(t)+R(t)=1浴盆曲线可靠性水平的描述：威布尔分布（weibull）失效率较高，但失效率随时间增加而下降。良好的使用阶段。寿命即将终止。焊点的基本作用-互连机械支撑：固定元器件电气连接：传导电信号引脚数越来越多单位面积的发热量越来越大引脚间距越来越小导致焊点尺寸越来越小焊点就称为最薄弱的环节焊点的可靠性问题也越来越突出。由于环保的要求

2、 ，采用无铅焊料，主要以锡基为主的焊料合金，如Sn-0.7Cu Sn-3.5Ag 、Sn-3.5Ag-0.5Cu（SAC305）等无铅焊料，其中以SAC305作为凸点焊料广泛应用，以实现芯片与基板的冶金和电气互连。如果焊点不可靠。可靠性试验的基本内容l 根据焊点的主要失效模式与可能遇到的环境应力来确定：焊点的可靠性试验标准l IPC-SM-785 Guidenlines for Acclelrated Reliability Testing of Surface Mount Attachments表面安装焊接件加速可靠性试验导则l IPC-9701 Performance Test Metho

3、ds and Qualification Requirements for Surface Mount Solder Attachments 表面安装焊件性能试验方法与鉴定要求l IPC-TM-650 Test Methods Manual实验方法手册主要的可靠性试验方法焊点的主要失效模式l 主要失效模式：l热失效（热循环、热冲击）l机械失效（过载与冲击失效、振动失效）l电化学失效（电偶腐蚀、枝晶生长、导电阳极丝（CAF）生长、锡须）芯片键合l影响芯片键合热疲劳寿命的因素l芯片尺寸 尺寸越大，由热膨胀导致的塑性应变越大l焊点形状（鼓形寿命最低，腰鼓形最高） 影响焊点内部的应力分布和塑性应变范围

4、l界面的金属间化合物 脆性的金属间化合物可能影响疲劳寿命l钎料合金的力学性能 合金的蠕变特性是影响热疲劳寿命的关键因素可能的芯片开裂的模型1是由弯曲应力引起的芯片中间开裂2是由边缘应力引起的芯片拐角开裂当芯片边缘存在切割时留下的划痕及毛刺是，失效更容易发生。随着老化时间的延长，金属间化合层的厚度逐渐增加，强度有所降低。封装互连l 工艺可靠性l 生产组装过程l 由于焊前准备、焊接过程及焊后检测等设备条件的限制，以及焊接规范选择的人为误差，常造成焊接故障，如虚焊、焊锡短路及曼哈顿现象等l 服役过程l 由于不可避免的冲击、振动等也会造成焊点的机械损伤。l 过度的超声波清洗也可能对焊点的可靠性有影响。

5、IMC对焊点可靠性的影响l 当熔融的焊锡与焊盘和元器件焊端金属相接触时，在界面会形成金属间化合物（Inter Metallic Compounds）。l 由于金属间化合物熔点高，晶体结构对称性较低，比较脆。 l 优点：金属间化合物的形成是焊接质量可靠的标志，良好的焊点连接（3um）l 缺点：过厚的金属间化合物层的存在会导致焊点断裂、韧性和抗低周疲劳能力下降，从而导致焊点的可靠性降低。BGA结构SAC305/Cu焊点在217度等温失效后界面IMC显微组织5分钟240分钟120分钟30分钟柯肯达尔空洞（Kirkendall void）（随着时效时间的延长，空洞组件增多，其分布位置也逐渐由Cu6Sn

6、5层向Cu3Sn层转移）会使焊点强度降低，Cu6Sn5相和Cu3Sn相的热膨胀系数差异过大，在温度载荷作用下，两相界面的区域容易成为应力集中区。晶界溶蚀程度逐渐加深，晶界凹槽逐渐向下延伸界面Cu6Sn5两晶粒间已经基本断开，其晶界凹槽低端几乎与Cu基底接触BGA结构SAC305/Cu焊点在230度等温失效后界面IMC显微组织5分钟240分钟120分钟30分钟在相同时效时间下，焊点界面处Cu6Sn5晶界溶蚀程度减弱，同时柯肯达尔空洞几乎仅出现在Cu3Sn层内。l 片状的Ag3Sn会对焊点延展性和抗疲劳造成不利影响。而它的形成取决于：l Ag的浓度：高浓度Ag有利于Ag3Sn的形成，故Ag的含量最

7、好低于3wt%。l 冷却速率：Ag3Sn的生长需要液相中Ag和Sn原子的扩散，相对较慢的冷却速率会赋予Ag3Sn生长的时间更长。l Cu的含量：焊点中铜的含量会促进大片装的生产。温度循环l 影响焊点长期可靠性的一个重要因素是焊点在温度变化过程中的失效。在不断的升降温过程中，由于各种材料的热膨胀系数 (CTE) 不同 。使得焊料 、基板承受不同的应力应变 ，导致器件变形。焊点在温度循环过程中反复的应力应变将导致焊点中裂纹的萌生和扩展，最终导致焊点的失效 。按IPC试验标准，采取如下方法：低温: 0 C, 10 分钟 高温:100 C 10 分钟分钟降温冷却到低温1.整个循环时间约在一个小时左右

8、l 1.在温度循环过程中界面会出现分层现象，此时在Cu6Sn5和Sn之间出现了Cu3Sn层。随着温度循环次数的增加，Cu3Sn层的厚度明显增加l 2.温度循环对力学性能的影响l 随着热循环次数的增加， 焊点的拉伸力明显下降。l 主要是在热循环过程中由于IMC不断长大， 由于IMC的生成会在焊点内部留下“ 空洞” 等缺陷， 在拉伸过程中，“ 空洞” 会演化成裂纹源， 从而导致焊点拉伸力的下降。l 温度循环（热冲击）晶须的发生和生长l Sn晶须生长的基本动力是在室温附近的Sn或者合金元素的异常迅速的扩散。l 温度循环晶须的生长是因为温度循环试验时产生应力高速变化的镀层变形，晶须高速生长。 在服役过

9、程中，在循环应力的作用下，大块脆性的Ag3sn会导致在焊点中产生缺陷，引起应力集中，降低焊点的强度和循环寿命。l 锡须的分类冷却速率的影响焊点的自然凝固焊点的自然凝固 凝固结晶是物质从液态转变为固态的过程。金属的凝固过程再流焊接过程中也会存在一定的可靠性问题，以下着重说一下冷却速率的影响。液态金属冷却到凝固温度时，首先产生晶核，继续冷却，晶核吸收周围的原子而长大，同时新的晶核不断形成和长大，使相邻晶体彼此接触，液态金属完全消失，得到许多形状、大小和晶格位向不相同的小晶粒组成的多晶体。从凝固过程的实时观测可知， Sn-Ag-Cu共晶液滴的凝固从周边开始，瞬间即到达中央，最终凝固的是顶上白色的部分

10、 由于液滴的凝固从周边开始，如果冷却速率过快，在树枝晶生长过程中会产生很大的应力，于是产生热裂纹，在最终凝固区发生缩松和龟裂。 但是冷却速率也不易过低，因为高的冷却速率可以使微观组织细化，提高焊点的强度。l 由于微连接的特殊性，使焊缝金属在结晶过程中，由于来不及扩散而存在着严重的化学成分的不均匀性。l 在焊缝内部，存在着严重的显微偏析和区域偏析，尤其是在母材与焊料的界面，由于液/固相之间的相互溶解和扩散，存在着严重的成分偏析。l 焊点剥离，无铅合金的热膨胀系数和基板之间的差别大，导致焊点固化时在剥离部分由太大的应力而使它们分开。l 一方面较大的冷却速度能够抑制偏析，从而抑制剥离；l 另一方面冷

11、却速度越大，焊料的变形速率越大，越易于促进焊点开裂。另外，必须在焊料液相线温度以上采取急冷措施才能有效抑制偏析。l 冷却速率对机械性能 、润湿性能 、抗蠕变性能和焊点循环寿命等有影响。板状的Ag 3Sn较硬，当Ag含量超过3.2wt%以后（出现过共晶成分）拉伸强度降低，容易造成疲劳寿命降低。 在再流焊接熔化过程中快速长大，而且银含量越高，板状的Ag3Sn相越多。 若减小焊后冷却速率，板状的Ag3Sn可以穿过整个焊接接头的横截面，严重影响了接头在承受热应力是的力学性能。金对焊点可靠性的影响l 由于金优良的稳定性和可靠性，成为最常用的表面镀层金属。l 作为焊料里的杂质，金对焊料的延展性是非常有害的。l 因为焊料中会形成脆性的Sn-Ag金属间化合物（AuSn4）。l 虽然低浓度的AuSn4能提高焊料的机械性能，当超过4%时，拉伸强度和失效时的延伸量都会迅速下降。无铅焊料的表面处理有OSP 化学镍金、化学、热风整平、化学镀锡等。环境和化学因素l环境 电子封装工作时产生的直流电位、温度 水分吸附于材料表面，溶解及其、空气中的离子物质 封装材料的核辐射如氧化铝陶瓷的a粒子辐射 塑料封装为非气密性封装l化学失效机理： 电化学腐蚀 应力腐蚀断裂 应力腐蚀疲劳l结果： 封装内部引线键合界面发生腐蚀失效 腐蚀导致互连线截面积减小，