錫須、電遷移對無鉛釬焊可靠性影響的研究現狀

摘要：電子封裝技術的快速發展對封裝工藝及焊接可靠性提出了更加嚴格的要求。然而錫須以及工作服役狀態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狀。分別討論了錫須的生長機理、生長驅動力以及如何抑制。針對電遷移，探討了電遷移的形成機理、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。

關鍵詞：釬焊 錫須 電遷移

1、主要無鉛焊料系統

目前，各國和各公司的科研人員已研制開發出多種無鉛釬料，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整無鉛焊料的熔點和機械物理性能。無鉛焊料大體上分為三個類別，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

在幾個候選合金系統中，Sn－Ag—Cu系是新一代代表性焊料，并正在全世界范圍內推廣使用。這種合金具有優良的物理性能和高溫穩定性。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重，因此可實現優良的機械性能和高溫穩定性。電鍍Sn－Pb的元器件有時會出現脫焊現象，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，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，易發生脫焊現象，需要在弄清其發生條件的前提下，采取抑制對策。當焊料中含有Bi時，其與元器件上的Sn－Pb電鍍層的兼容性變差。產生這種現象的原因是，在100℃以下，Sn－Bi－Pb系會在界面附近形成液相。為避免這種現象的產生，元器件上應采用Pb鍍層。為降低實裝溫度，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

微電子封裝產業中，器件的尺寸越來越小，而電路集成度越來越高。因此， 如何保證無鉛焊點的質量是一個重要問題， 它的質量與可靠性很大程度決定了電子產品的質量。與傳統的含鉛工藝相比，無鉛化焊接由于焊料的差異和工藝參數的調整， 必不可少的會給焊點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， 如前所述會帶來焊料及導體材料易高溫氧化，金屬間化合物生長迅速等問題。因為在焊接過程中，熔融的釬料與焊接襯底接觸時，由于高溫在界面會形成一層金屬間化合物(IMC)。其形成不但受釬焊溫度、時間的控制， 而且在后期使用過程中其厚度會隨時間增加。許多研究已經表明界面上的金屬間化合物是影響焊點可靠性的一個關鍵因數。

2.2工藝

按焊點連接方式來分，電子焊接工藝主要有二種：波峰焊和回流焊。波峰焊是基于傳統的焊錫–通孔工藝發展起來的，而回流焊是基于新型的表面貼裝技術發展起來的。而現今大多數電子封裝為 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造成電路短路從而使失效。空洞的存在會造成電阻熱升高從而熔斷焊點，而目前各國研究者認為，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，在機械、溫度、環境等作用下會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重的可靠性問題，而倍受業界的關注。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力造成。

目前，關于Sn晶須的生長機制主要有三種解釋，即位錯運動機制、再結晶機制和氧化層破裂機制。然而，這三種機制都有其局限性且相互之間存在一定的矛盾．位錯運動機制不能解釋Sn晶須在非滑移面上的生長，再結晶機制無法支持Sn晶須的連續生長行為，而氧化層破裂機制則無法解釋真空環境中Sn晶須的生長現象。到目前為止，Sn晶須的生長機制還不是很明確，上面提到的三種機制都只能在一定程度上解釋Sn晶須的一些生長特點，更為確切的機制尚待進一步地研究。

4、電遷移對無鉛釬焊可靠性的影響

電遷移是導電金屬材料在通過較高的電流密度時，金屬原子沿著電子流運動的方向進行定向遷移的擴散現象；它是引起金屬互連失效的一種重要機制。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境中產生接觸電阻的增加、互連短路或斷路，引起芯片及元器件的失效。

電遷移中的驅動力被稱為電遷移力，電遷移力是由電場力與電子風力的合力。電子風力是當導體中加載電流時，運動的電子流與游離態的原子之間發生動量交換而形成的推動力；在高電流密度條件下，這種動量交換很顯著，引起質量輸運。電子風力與電場力的方向相反，兩者的合力即為電遷移力。

很多學者提出，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，從而導致出現空洞、裂紋及局部堆積。這些都成為焊點失效的隱患，久面久之引發短路或斷路。北京工業大學的何洪文，徐廣臣等人：向Sn3.8Ag0.7Cu無鉛焊膏中添加質量分數為l％的Sb金屬粉末，研究了其焊點在電流密度為O.34×104A/cm2、環境溫度150℃下的電遷移行為。通電245 h后，焊點微觀組織在陰極的左下部分一條寬度約為16.9μm的裂紋出現在Cu6Sn5 IMC和釬料基體之間。SnSb化合物的內部和邊界處都有明顯的裂紋產生，陰極左上部分的SnSb化合物呈現較嚴重的凸起狀。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，平均厚度變為7.58μm。

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出了不穩定性，容易在化合物內部及其內部產生裂紋，從而降低了電遷移可靠性，降低了焊點壽命。

參考文獻:

[1]郝虎.稀土相加速Sn晶須生長及Sn晶須生長機制的研究[D]．北京工業大學博士生論文 ，2009

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

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