錫須、電遷移對無鉛釬焊可靠性影響的研究現(xiàn)狀

摘要：電子封裝技術(shù)的快速發(fā)展對封裝工藝及焊接可靠性提出了更加嚴(yán)格的要求。然而錫須以及工作服役狀態(tài)中的電遷移是影響焊接可靠性的重要因素。本文綜述了錫須以及電遷移的研究現(xiàn)狀。分別討論了錫須的生長機(jī)理、生長驅(qū)動(dòng)力以及如何抑制。針對電遷移，探討了電遷移的形成機(jī)理、不良影響以及弱化電遷移的辦法。并對晶須以及電遷移的研究做了初步展望。

關(guān)鍵詞：釬焊 錫須 電遷移

1、主要無鉛焊料系統(tǒng)

目前，各國和各公司的科研人員已研制開發(fā)出多種無鉛釬料，各種無鉛焊料主要是在錫元素中添加銀、銅、鉍、鋅、銦等第二金屬元素而組成的合金，并通過添加第三、第四種金屬元素來調(diào)整無鉛焊料的熔點(diǎn)和機(jī)械物理性能。無鉛焊料大體上分為三個(gè)類別，即高溫的錫—銀系、錫—銅系等；中溫的錫—鋅系等；以及低溫的錫—鉍系等。

1.1Sn—Ag—Cu系

在幾個(gè)候選合金系統(tǒng)中，Sn－Ag—Cu系是新一代代表性焊料，并正在全世界范圍內(nèi)推廣使用。這種合金具有優(yōu)良的物理性能和高溫穩(wěn)定性。一般無鉛焊料與電鍍Sn－Pb層之間往往兼容性不好，而對Sn－Ag—Cu系來說，這種兼容性問題不太嚴(yán)重，因此可實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的機(jī)械性能和高溫穩(wěn)定性。電鍍Sn－Pb的元器件有時(shí)會(huì)出現(xiàn)脫焊現(xiàn)象，對此要特別注意。

1.2Bi對無鉛焊料的影響及Sn－Bi系

在無鉛焊料中添加Bi，可以將低熔點(diǎn)，提高浸潤性等。對于使用者來說，具有很大的吸引力。但這種焊料用于雙面焊時(shí)，易發(fā)生脫焊現(xiàn)象，需要在弄清其發(fā)生條件的前提下，采取抑制對策。當(dāng)焊料中含有Bi時(shí)，其與元器件上的Sn－Pb電鍍層的兼容性變差。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，在100℃以下，Sn－Bi－Pb系會(huì)在界面附近形成液相。為避免這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，元器件上應(yīng)采用Pb鍍層。為降低實(shí)裝溫度，也可以在焊料中添加百分之幾的ln。

2、無鉛釬料的焊接可靠性問題

微電子封裝產(chǎn)業(yè)中，器件的尺寸越來越小，而電路集成度越來越高。因此， 如何保證無鉛焊點(diǎn)的質(zhì)量是一個(gè)重要問題， 它的質(zhì)量與可靠性很大程度決定了電子產(chǎn)品的質(zhì)量。與傳統(tǒng)的含鉛工藝相比，無鉛化焊接由于焊料的差異和工藝參數(shù)的調(diào)整， 必不可少的會(huì)給焊點(diǎn)可靠性帶來一定的影響。

2.1材料

目前， 大多采用錫銀銅合金系列， 液相溫度是217～221℃， 這就要求再流焊具有較高的峰值溫度， 如前所述會(huì)帶來焊料及導(dǎo)體材料易高溫氧化，金屬間化合物生長迅速等問題。因?yàn)樵诤附舆^程中，熔融的釬料與焊接襯底接觸時(shí)，由于高溫在界面會(huì)形成一層金屬間化合物(IMC)。其形成不但受釬焊溫度、時(shí)間的控制， 而且在后期使用過程中其厚度會(huì)隨時(shí)間增加。許多研究已經(jīng)表明界面上的金屬間化合物是影響焊點(diǎn)可靠性的一個(gè)關(guān)鍵因數(shù)。

2.2工藝

按焊點(diǎn)連接方式來分，電子焊接工藝主要有二種：波峰焊和回流焊。波峰焊是基于傳統(tǒng)的焊錫–通孔工藝發(fā)展起來的，而回流焊是基于新型的表面貼裝技術(shù)發(fā)展起來的。而現(xiàn)今大多數(shù)電子封裝為 THT/SMT 混裝工藝。

2.3其他可靠性問題

在無鉛釬焊過程中，以及電子元件在服役過程中，電路短路和斷路是影響元器件使用壽命的重要因素，其中錫晶須的存在與生長會(huì)造成電路短路從而使失效。空洞的存在會(huì)造成電阻熱升高從而熔斷焊點(diǎn)，而目前各國研究者認(rèn)為，電遷移是造成空洞的重要原因，因此電遷移也是影響元器件使用壽命的重要因素之一。

3、錫晶須對無鉛釬焊可靠性的影響

“錫須”指器件在長期儲存、使用過程中，在機(jī)械、溫度、環(huán)境等作用下會(huì)在高錫鍍層的表面生長出一些胡須狀晶體，其主要成分是錫。由于“錫須”可能連到其他線路引起嚴(yán)重的可靠性問題，而倍受業(yè)界的關(guān)注。錫須的成因很多，比較一致的看法是由于材料的晶格失配所引起的應(yīng)力造成。

目前，關(guān)于Sn晶須的生長機(jī)制主要有三種解釋，即位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)機(jī)制、再結(jié)晶機(jī)制和氧化層破裂機(jī)制。然而，這三種機(jī)制都有其局限性且相互之間存在一定的矛盾．位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)機(jī)制不能解釋Sn晶須在非滑移面上的生長，再結(jié)晶機(jī)制無法支持Sn晶須的連續(xù)生長行為，而氧化層破裂機(jī)制則無法解釋真空環(huán)境中Sn晶須的生長現(xiàn)象。到目前為止，Sn晶須的生長機(jī)制還不是很明確，上面提到的三種機(jī)制都只能在一定程度上解釋Sn晶須的一些生長特點(diǎn)，更為確切的機(jī)制尚待進(jìn)一步地研究。

4、電遷移對無鉛釬焊可靠性的影響

電遷移是導(dǎo)電金屬材料在通過較高的電流密度時(shí)，金屬原子沿著電子流運(yùn)動(dòng)的方向進(jìn)行定向遷移的擴(kuò)散現(xiàn)象；它是引起金屬互連失效的一種重要機(jī)制。通常電遷移能在陰極形成金屬原子的流失，在陽極形成金屬原子的堆積，從而使芯片及元器件在長期的高電流密度工作環(huán)境中產(chǎn)生接觸電阻的增加、互連短路或斷路，引起芯片及元器件的失效。

電遷移中的驅(qū)動(dòng)力被稱為電遷移力，電遷移力是由電場力與電子風(fēng)力的合力。電子風(fēng)力是當(dāng)導(dǎo)體中加載電流時(shí)，運(yùn)動(dòng)的電子流與游離態(tài)的原子之間發(fā)生動(dòng)量交換而形成的推動(dòng)力；在高電流密度條件下，這種動(dòng)量交換很顯著，引起質(zhì)量輸運(yùn)。電子風(fēng)力與電場力的方向相反，兩者的合力即為電遷移力。

很多學(xué)者提出，Sb及其它固溶原子的添加能夠有效地抑制金屬間化合物的生長，從而提高其力學(xué)性能。然而Sb卻能夠加劇元件的服役過程中的電遷移，從而導(dǎo)致出現(xiàn)空洞、裂紋及局部堆積。這些都成為焊點(diǎn)失效的隱患，久面久之引發(fā)短路或斷路。北京工業(yè)大學(xué)的何洪文，徐廣臣等人：向Sn3.8Ag0.7Cu無鉛焊膏中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為l％的Sb金屬粉末，研究了其焊點(diǎn)在電流密度為O.34×104A/cm2、環(huán)境溫度150℃下的電遷移行為。通電245 h后，焊點(diǎn)微觀組織在陰極的左下部分一條寬度約為16.9μm的裂紋出現(xiàn)在Cu6Sn5 IMC和釬料基體之間。SnSb化合物的內(nèi)部和邊界處都有明顯的裂紋產(chǎn)生，陰極左上部分的SnSb化合物呈現(xiàn)較嚴(yán)重的凸起狀。而在陽極的界面處堆積了一條小丘帶，IMC形貌變得較平緩，粗化程度不是很明顯，平均厚度變?yōu)?.58μm。

Sb的加入可以抑制Cu6Sn5 IMC的生長，但形成脆性相SnSb化合物。這種脆性相化合物在高電流密度作用下表現(xiàn)出了不穩(wěn)定性，容易在化合物內(nèi)部及其內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，從而降低了電遷移可靠性，降低了焊點(diǎn)壽命。

參考文獻(xiàn):

[1]郝虎.稀土相加速Sn晶須生長及Sn晶須生長機(jī)制的研究[D]．北京工業(yè)大學(xué)博士生論文 ，2009

[2]張金松.純錫覆層晶須生長及無鉛焊點(diǎn)電遷移的研究[D]．華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2010

[3]張金松，吳懿平，朱宇春，李娟娟.溫度循環(huán)條件下鍍錫引腳的晶須生長[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，41：(4)