微连接第4章焊点缺陷讲述课件

1、微电子封装与组装焊点的可靠性与测试材料成型与控制系1第四章 影响连接焊点可靠性的缺陷21. 影响可靠性的二级互连焊焊点缺陷1）墓碑现象(Tombstone)及元件歪斜墓碑现象和元件倾斜3发生情况：主要出现于重量较轻的片式无源元件， 墓碑现象：再流焊中片式元件经常出现立起的现象， 称之为立碑，又称之为吊桥。4发生原因： 元件两端出现非同步润湿。先润湿的一端在焊料界面 张力的作用下克服元件自身重力而将元件牵引抬起。 元件两端焊接面的物理状态出现差异，如受热不均或两 端锡膏不均等导致一端的锡膏先熔化、元件两端焊盘的 可焊性差异等-非同步润湿 无铅钎料更易立碑-因为其有更高的界面张力； 氮气保护将增大

2、焊料/元件焊接端的界面张力 元件两端润湿力不平衡：两端锡膏不均等5解决办法：控制非同步润湿及润湿力不平衡 调整不合理的焊盘设计与布局 避免一侧焊盘面积过大和PCB表面温差过大 改善锡膏活性与印刷 锡膏活性不高或元件可焊性差，锡膏熔化后表面张 力不同-焊盘润湿力不平衡； 锡膏印刷量不均匀，多的一边会因锡膏吸热量增 多，熔化时间滞后-非同步润湿。 调整贴片参数 贴片压力不均匀-元件浸入到锡膏中的深浅 不一,锡膏外露量不同-元件的遮蔽效应不同- -非同步润湿； 贴片精度不高、元件移位直接导致立碑发生。6 调整炉温曲线 通常最少应测量三个点： 1) 焊点温度 2) PCB表面温度 3) 元件表面温度。

3、7 2) 桥连缺陷（Solder bridge） 桥连-焊后相邻焊点通过钎料连接在一起，导致 短路，波峰焊中最为常见。8波峰焊桥连发生原因： 元器件引脚排列方向做到与波峰焊时的传送带运动 方向一致。如垂直，易形成大量焊点桥连。 焊接温度低，焊料流动性差；助焊剂活性不足，一般增 加助焊剂活性有助于减少桥连缺陷； 焊盘间距过小，焊盘内径与引线外径比值过大等； 元器件引线伸出过长，引脚间多余焊料不易流出； 9Sn-0.7Cu波峰焊的更大比例的桥连现象 Sn0.7Cu波峰焊产生桥连原因示意图Ni在Sn0.7Cu无铅钎料波峰焊中降低桥连发生率的作用机理10 锡膏粘度低，预热时焊料漫流到焊盘外； 锡膏印刷

4、量偏多；印刷精度差，印到焊盘外； 元器件贴放压力过大，锡膏受压后漫流到焊盘外； 预热升温过快，助焊剂中溶剂来不及挥发，焊料飞溅。再流焊桥连发生原因：113) 虚焊/（开路） 虚焊：钎料和基体金属的界面处没有形成适量的合 金层,就可定义为虚焊。在显微组织上虚焊的 界面主要是氧化层，而不是铜锡化合物薄层。 缺陷外观：焊点表面无光泽(失去钎料原有金属光泽 和光滑度)或表面呈颗粒状。 虚焊降低焊点机械强度、使导电性变得不良，导致焊 后早期失效，早期返修率高。 12 a) 钎焊温度低，钎料流动性差-界面原子扩散不充 分，不能形成良好的IMC合金层； b) PCB焊盘或元器件引线表面氧化、污染，表面自由能

5、 高，起隔离原子的作用； c) 料槽温度过高，钎料表面氧化，或预热温度高引脚 表面氧化-附着力减小； d) 焊接时间过长-产生弱润湿，即IMC层大且厚，焊 料对其润湿比对母材润湿更难； e) 锡膏印刷不足 f) 引脚共面性差（QFP）； 产生原因：134) 锡珠(Solder bead)类缺陷 容易与锡球类缺陷混淆-二者的外观特征都是一个 个独立于焊点之外的焊锡球，尺寸小-锡 珠，尺寸大 的为锡球。14 (a) (b) (c) (d) 锡珠缺陷形成机理(e)15当PCB离开焊料波峰时，由于表面张力的作用焊料最初是粘附在引脚表面镀层上（图a） ；b) 直到重力分量增加到可以克服表面张力之后-焊料

6、与元件引脚分离（图b）；c) 回到锡槽中的焊料会激起一些液态焊料飞溅-犹如在水中投入一粒石子会激起水花一样（图c和d）；d) 一些小的焊料颗粒最终附着在PCB表面，形成锡珠缺陷（图e）。16 分布特征： 白色或灰色的小颗粒-主要出现在插装元器件的引脚 附近，而没有焊盘通孔的区域极少发现。 氮气保护可能增加锡珠缺陷： 氮气纯度高时，焊料表面几乎没有氧化物存在- “石子”效应会更剧烈，激起更多的液态焊料颗粒飞 溅成为锡珠。17 解决方法关键在于PCB表面的阻焊膜(Solder mask)，应使阻焊膜与锡珠之间不能形成良好的附着。 增加PCB的表面粗糙度-减小锡珠与印刷电路板表面的接触面积-利于锡珠

7、回落到锡槽中去。185) 锡球(Solder ball)缺陷再流焊的锡球缺陷 与锡珠相比，锡球的特点就是尺寸更大，-更多出现 在回流焊中 19 极少在波峰焊中出现，-最可能的原因是PCB与焊料 波峰接触时有大量气体挥发-导致大块液态焊料 飞溅。 20气体的来源： a） PCB中的潮气，可通过事前烘干来解决； 产生原因： 回流焊或波峰焊中存在气体导致焊料飞溅b） 助焊剂中有未在预热阶段挥发完全的残余溶剂， 这可以通过提高预热温度或增加预热时间来解 决。216) 焊点拉尖缺陷（Solder flag/Solder spike） 拉尖是指焊料不是圆滑的包裹元器件引线，而是在局 部向外伸出，看起来像一

8、面小旗帜一样，这也是其英 文名称为 solder flag 的原因。 22 引脚附近助焊剂活性不足或者助焊剂涂覆量不够； 元器件引脚端可焊性不好； 元器件引线受热不足。这主要出现于某些质量较大 的元器件，熔融焊料传递过来的热量更多地被元器 件吸收，而引线自身温度较低，当与波峰分离时， 其附近焊料流动性差而导致拉尖。 拉尖缺陷的主要原因237) 芯吸现象 芯吸现象是焊料脱离焊盘沿引脚上行到引脚与芯片本体 之间、会形成严重的虚焊现象。 芯吸现象又称抽芯现象，多见于汽相再流焊中。24元件引脚的热导率大，升温迅速，以致引脚附近焊料优先润湿，焊料与引脚之间的润湿力远大于焊料与焊盘之间的润湿力，故焊料上行

9、至引脚上。 产生的原因 在红外再流焊中芯吸现象的概率小： PCB基材与焊料中的有机助焊剂是红外线的优良吸收介 质，而引脚却能部分反射红外线，相比而言，焊盘上焊料 优先熔化，它与焊盘的润湿力大于它与引脚之间的润湿 力， 故焊料不会沿引脚上升。25在汽相再流焊时应首先将电路板充分预热后再放入汽相炉中；b) 应认真检查和改善PCB板焊盘的可焊性;c) 元件引脚上翘更会加剧芯吸现象的发生 ，应保证元件引脚的共面性。 解决办法268) 针孔/气孔类缺陷 针孔(Pin hole)缺陷是指焊点外观上的小孔，而气孔 (Blow hole)是指较大的存在于焊点内部的孔。 缺陷产生原因及解决方法： a) 在于印刷

10、电路板内部有潮气，在焊接过程中受到高 温而蒸发出来。解决方法是焊前在120C条件下烘 干印刷电路板2小时左右。 b) 电路板或者元器件引脚存储过程中沾染了外部有机 物，有机物在焊料波峰的高温时释放出气体；可以 通过溶剂清洗来解决。 c）元器件或PCB制造过程中通常存在电镀工序，电镀 时使用过量的光亮剂，经常与金属同时沉积在镀层 表面，焊料波峰的高温时也会挥发释放出气体。 27289) 焊点剥离现象（Fillet-lifting或Lift-off) 焊点剥离是指钎焊后钎接圆角（fillet）从焊盘上升起 的现象，是无铅钎料应用于通孔波峰焊时出现较多的缺 陷之一。29 发生情况： 在含有铋元素或存

11、在铅污染的无铅焊点中发生率极高。 Bi添加量在2时就有剥离现象发生，添加量达到5时 剥离的概率达到100 30Sn-Bi-Ag-Cu通孔焊点剥离现象(剥离发生在钎料与界面金属间化合物(IMC)之间) 发生机制31 1) 金属学因素分析 (Sn-2.0Ag-0.5Cu-7.5Bi)焊盘外边缘钎缝剥离断面形貌和成分32焊盘中部B区的断面形貌和成分33焊盘拐角附近C区的断面形貌和成分34拐角区大量缩孔的存在证明该区发生凝固延迟35 a)低熔点相的形成 b)组织薄弱区的形成 c)铋偏析的作用: 使拐角区发生凝固延迟, 偏析越严重，拐角区钎料处于低塑性的固-液态时间越长,越有利于剥离的发生。Sn-Bi-

12、Ag-Cu焊点非平衡凝固晶内偏析区域偏析拐角区低熔点相形成Bi富集缩孔拐角区(非焊盘外缘)凝固延迟低熔相形成固-液态低塑性36Sn-Bi-Ag-Cu焊点剥离可能发生在结晶后期，在偏析产生的低熔点相的液相线以上温度期间。剥离可能起源于应力应变集中的焊盘拐角环形区域，并沿焊盘/钎料界面向外缘扩展。综上分析，区域偏析使焊盘拐角区钎料的液相线显著降低、且钎料凝固延迟，凝固过程中较长时间处于低塑性的固-液态和缩孔存在导致拐角区成为组织薄弱区，固-液态阶段该区在小的应变量时就可能发生开裂，拐角区开裂后应力并未完全释放，使焊盘外缘受力增加，当应变累积超过塑性变形能力后，开裂沿钎料/焊盘界面扩展直至完全剥离。

13、 发生机制总结37 影响因素1) 铅污染铅污染对剥离的影响剥离断面晶间物质成分382) 冷却速度冷却速度对Sn-Bi-Ag-Cu焊点剥离的影响水冷焊点拐角钎料界面成分39a) 铋含量增加剥离倾向增加。铋在钎料中是强偏析元素，非平衡结晶使实际固相线向左下方偏移，固液共存温度区间变大是较小铋含量的焊点也发生剥离的原因。b) 铅污染使含铋钎料焊点剥离趋势进一步增加。结晶时铋和铅偏析到晶间形成低熔点相，固液共存温度区间进一步增大是剥离显著增加的原因，冷却速度对铅污染焊点剥离的抑制作用更小。c) 抑制区域偏析使剥离倾向降低的同时，急冷也使材料变形速率迅速增大，应力应变增大，使钎焊圆角表面开裂和剥离倾向增

14、加；急冷对缺陷的抑制起两方面互相矛盾作用。d) 避免铅污染，降低铋含量并适当增大冷却速度是目前比较有效的措施。 影响因素总结4010) Sn晶须 引线上SnCu涂层的Sn晶须生长的电镜照片 晶须很直，大多数锡须表面在长度方向上显示出有规 则的条纹 ，晶须的直径大约是几个微米，与Sn涂层 的晶粒尺寸相当。 41 不规则形状的锡晶须增长率范围在0.03-9mm/year；直径范围在1-4m， 大多数锡须长度为几个微米，少数可以达到10 mm。42 Sn晶须足以使管脚之间形成短路，成为一个可靠性问题 发生情况： SMT中引线被涂以一层SnPb共晶以起到钝化作用和促 进在重熔过程中的钎料反应。当涂层被

15、无铅钎料 （SnCu共晶）所取代时，涂层上发现大量的晶须。 43 1) 电镀时高的电流密度产生高的残余应力； 2) 基底的机械加工过程如冷却、锻造、穿孔、冲压等在 电镀之前产生很高的残余应力 ； 3) 温度循环：镀Sn层与基底材料的热膨胀系数不匹配； 基底元素如Zn或Cu可能会扩散到Sn层，扩散可能优先 沿着 Sn层的晶粒边界，从而产生压应力 ； 4) 金属间化合物的形成（如Cu6Sn5）可能改变镀Sn层的 晶格间距 ； 压应力的来源（机械、热、或化学作用）44镀Sn层的压应力驱动晶须的形核和长大;镀层内的压应力能够沿着晶粒边界撕裂镀层外表面的氧化锡层，Sn晶须被认为是被压力从底部推出并生长，

16、从而导致锡须形成。晶须的生长有利于基体中的压应力的释放。 产生原因与机理45Cu-Sn扩散CuSn IMC室温压应力Sn原子的移动晶须压应力得到释放1.表面存在氧化物及其厚度不能太厚2.46 产生条件 1）镀层内部压应力； 2）为了产生局部生长，镀层表面要覆盖着氧化 物，即整个表面不能都是自由的表面； 而 且表面氧化膜保护层不能太厚，晶须能够穿 透某些局部的薄弱部位而得到长大以释放应 力47 防止Sn晶须的生长，现在还没有具体明确的方法 基底材料和/或基板材料选用抗扩散性物质（如Ni）能够明显降低须晶的增长，通常的做法就是在Sn和Cu间电镀一薄层Ni一扩散阻碍层， 这种方法之所以有效是由于室温

17、下Sn与Ni间的反应要远远慢于Sn和Cu间的反应。b) 另一种可采用的方法就是使用Cu-Sn化合物作为扩散阻碍层。将引脚在100-150C下加热30 min在Cu和Sn间形成Cu6Sn5和Cu3Sn金属间化合物层，从而可以有效地阻止室温下的扩散。48c) 镀层厚度0.5m或20um可以抑制晶须的形成；升高温度，有利于扩散和金属间化合物的形成，从而增加须晶的形成；但另一方面，升高温度可以降低涂层应力，减少须晶形成; 最利于须晶增长的温度为50，另一研究最利于的温度在2225。须晶在高于150时停止增长，但在低于-40时仍有发生。492. 影响可靠性的一级互连缺陷501） 金属化层的电迁移现象 电

18、迁移是指在高电流密度（105106A/cm2）下金属中的 质量迁移的现象。 金属化层抵抗电迁移能力是焊盘材料的主要评价参数之一， 是集成电路互连工艺中最主要的失效方式。 电迁移效应的原理图 51 互连A1膜的电子迁移图中虚线表示沉积后的均匀Al膜。随着A1迁移的发生，左边的Al越来越薄经过一定的时间之后，就会产生A1膜断路的情况。 52 磁控溅射淀积的A1-05(wt)Cu和用蒸发淀积的 A1-05(wt)Cu的的电迁移53金属离子的迁移速率R：R和电子动量成正比，并与金属导体的截面积成反比;电子动量和电流密度J成正比 ；此外，金属离子的运动由其自扩散激活能Ed决定。一般是用导体的平均失效时间

19、 MTF (Mean Time of Failure)作为R的度量54 解决办法 目前最好的解决办法是把工作电流密度限制在105A/cm2以内，从而完全避免电迁移效应。加入铜、硅等杂质，因为这些措施对晶粒尺寸影响很大，铝中掺入4wt铜，可以使MTF提高10倍。552) FC钎料凸点中的电迁移测试温度为100-140，焊点中平均应用的电流密度从1.90-2.75104A/cm2。 电子迁移加速试验： 结果: 在阴极形成了空洞，并且Pb在焊点的阳极聚集。 56电迁移的空洞发展过程试验温度125，电流2.25104A/cm2(a) 37h (b) 38h (c) 40h (d) 43h57电子迁移失效行为通过电阻改变来监测 58 芯片钎料焊点电子迁移失效模型59 产生原因 a) 钎料合金的低的熔点和高的扩散率; 连接布线与钎料凸点之间界面,由于几何形状变化(截面小2到3个数量级)而引起的较大的电流密度的变化; 在交界处形成很大的电流聚集。界面也是原子扩散的发散面，成为电子迁移的失效区。 钎料焊点界面上电流分布60钎料焊点UBM上的厚Ni(P)层在电子迁移下的溶解(a) 电迁移试验前 (c) 在150、2.5A加速试验后失效电迁移的极性效应：1）阳极IMC-生长，阴极溶解；2）阳极钎料Pb聚集；3）厚UBM-电流聚集发生在UBM中阴极UBM溶解）61 平均失效时间（MTTF）等