含鉍焊料的板級(jí)可靠性研究*

謝 鑫，金大元，萬 云

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所， 浙江 嘉興 314033)

引 言

通常陶瓷焊球陣列封裝(CBGA)的焊球材料為Pb90Sn10等高鉛焊料[1]，回流焊中焊球不會(huì)發(fā)生熔融塌陷。某型CBGA封裝芯片回流焊后焊球發(fā)生塌陷，經(jīng)查該CBGA焊球材料為Sn46Pb46Bi8。

軍工電子裝聯(lián)中常用焊料為Sn63Pb37，該共晶焊料熔點(diǎn)為183 ℃。Sn46Pb46Bi8為非共晶焊料，固相線144 ℃，液相線163 ℃。研究資料顯示，含量在5%以下的Bi元素對(duì)錫鉛焊料的潤(rùn)濕性沒有太大的影響，隨著Bi含量增加，焊料流動(dòng)性提高，熔點(diǎn)降低，相同焊接溫度下潤(rùn)濕性提高。Bi在焊料表面富集氧化，使焊點(diǎn)變色發(fā)黑。單體Bi晶粒存在于焊料合金中，使焊料變脆，機(jī)械性能下降[2]。長(zhǎng)期工作環(huán)境下隨著Sn/Cu元素的反應(yīng)消耗會(huì)造成金屬間化合物(IMC)層附近Pb/Bi元素逐漸增多，此時(shí)IMC層附近過量的Bi元素有可能影響焊點(diǎn)的可靠性[3]。同時(shí)有文章提到Sn/Pb/Bi元素會(huì)形成復(fù)雜的低熔點(diǎn)相[4]，進(jìn)而影響焊點(diǎn)可靠性。

上述文獻(xiàn)主要是針對(duì)Sn42Bi58、Sn43Pb43Bi14焊料進(jìn)行的研究，Sn46Pb46Bi8中Bi元素含量較低，對(duì)焊料性能的影響可能小于上述兩種焊料。故需對(duì)Sn46Pb46Bi8焊料性能進(jìn)行研究，保證含鉍焊料球CBGA芯片的焊接質(zhì)量。

1 焊料可靠性研究

焊料的可靠性研究?jī)?nèi)容/方法較多，為簡(jiǎn)化問題，本文從板級(jí)組裝工藝角度對(duì)焊接后的焊點(diǎn)剪切力、微觀結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)期可靠性進(jìn)行了研究。

1.1 剪切力測(cè)試

為確認(rèn)Bi元素對(duì)焊料機(jī)械性能的影響，本文按表1條件分別焊接16只0603封裝電阻于Sn63Pb37熱風(fēng)整平的銅焊盤上。焊接完成后參照相關(guān)文獻(xiàn)[5]，使用DAGE-4000 plus 推拉力測(cè)試儀以350 μm/s速度從側(cè)面剪切電阻并記錄剪切力測(cè)試曲線。

表1 剪切力測(cè)試樣品焊接條件

圖1最大剪切力數(shù)據(jù)顯示Sn46Pb46Bi8焊料的剪切力與Sn63Pb焊料相近，隨著焊接溫度/時(shí)間降低Sn46Pb46Bi8焊料剪切力值有增加的趨勢(shì)，這可能與焊接溫度/時(shí)間降低后形成的IMC較薄有關(guān)[6]。圖2最大剪切移位數(shù)據(jù)顯示Sn46Pb46Bi8焊料的最大剪切位移與Sn63Pb焊料基本一致，Bi元素沒有造成焊料脆性提高。由此可見Sn46Pb46Bi8的焊點(diǎn)強(qiáng)度與Sn63Pb37的焊點(diǎn)強(qiáng)度相近，適當(dāng)降低的焊接溫度/時(shí)間可以獲得性能略好的Sn46Pb46Bi8焊點(diǎn)。

圖1 剪切力測(cè)試箱線圖

圖2 最大剪切位移箱線圖(電阻寬度1.25 mm)

1.2 焊料的微觀結(jié)構(gòu)

為確認(rèn)焊料潤(rùn)濕性、Bi元素在焊點(diǎn)中的分布及合金層IMC層狀態(tài)，取表1中1#、2#、4#樣品進(jìn)行金相切片、IMC層檢測(cè)、電鏡掃描(SEM)，相關(guān)結(jié)果見表2、圖3～圖4。依據(jù)金相照片3 組樣品焊點(diǎn)均潤(rùn)濕良好，未見空洞、IMC層裂紋。3 組樣品IMC層均為連續(xù)的Sn-Cu合金，IMC層厚度均大于0.5 μm，可以保證焊點(diǎn)的可靠性。還可看到Sn46Pb46Bi8焊料IMC層厚度明顯小于Sn63Pb37焊料，這是因?yàn)椋?)Sn46Pb46Bi8焊料的焊接溫度/時(shí)間較小降低了IMC層的生長(zhǎng)；2)Sn46Pb46Bi8焊接界面處較多的Pb/Bi元素降低了焊盤上Cu元素遷移到焊料中的速度。由此可見Sn46Pb46Bi8焊料的潤(rùn)濕性良好，Bi元素均勻分布在焊料中，焊接形成的Sn-Cu合金IMC層厚度適中。

表2 焊料微觀結(jié)構(gòu)

圖3 金相照片

圖4 SEM照片

1.3 高溫老化測(cè)試

上文表明Sn46Pb46Bi8焊料焊接后焊點(diǎn)剪切力、IMC層厚度及Bi元素分布均正常，但不能證明焊點(diǎn)在長(zhǎng)期工作后其性能不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重惡化。為驗(yàn)證上述問題，取4#樣品125 ℃高溫老化100 h、200 h模擬長(zhǎng)期工作后焊點(diǎn)的狀態(tài)，并對(duì)樣品再次進(jìn)行剪切了測(cè)試、金相切片、IMC層厚度測(cè)量及SEM。

一般從焊接的可靠性角度來說要求IMC層厚度在0.5 ～3.5 μm之間，過厚過薄的IMC層都不利于焊點(diǎn)的可靠性。100 h后IMC層平均厚度為2.49 μm，200 h后IMC層平均厚度為2.86 μm，IMC層已從不太連續(xù)的片狀層變?yōu)榫鶆蜻B續(xù)的層，SEM照片見圖5，從檢驗(yàn)結(jié)果來看Sn46Pb46Bi8焊料的IMC厚度滿足要求。

圖5 SEM照片

相關(guān)論文中Sn42Bi48焊料在120 ℃老化7 d后可在IMC層下方觀察到100 nm直徑的Bi顆粒偏析[3]。本文對(duì)125 ℃高溫老化100 h、200 h的Sn46Pb46Bi8焊料的IMC層附近單獨(dú)拍攝SEM照片,未在IMC層下方發(fā)現(xiàn)Bi元素偏析。進(jìn)行能譜分析(EDS)，IMC上部某些位置可以檢測(cè)到Bi元素但I(xiàn)MC層下方均未發(fā)現(xiàn)Bi元素(圖6、圖7)。

圖6 100 h老化后EDS分析(A位置)

圖7 200 h老化后EDS分析(A位置)

分別取4#樣品及高溫老化100 h、200 h的樣品按表1條件再次進(jìn)行剪切力測(cè)試，繪制最大剪切力數(shù)據(jù)如圖8所示，100 h后最大剪切力下降約18%，200 h后最大剪切力下降約23%。對(duì)比文獻(xiàn)[3]中Sn42Bi48試驗(yàn)數(shù)據(jù)(圖9)，120 h后最大載荷下降約55%，360 h后最大載荷下降約89%。對(duì)比可見，相較Sn42Bi48焊料Sn46Pb46Bi8焊料經(jīng)過高溫老化后的剪切力未發(fā)生大幅降低。

圖8 Sn46Pb46Bi8老化前后最大剪切力

圖9 Sn42Bi48老化前后載荷-位移圖[3]

2 含鉍焊料的CBGA焊接工藝

2.1 焊點(diǎn)塌陷的控制

該CBGA印制板焊盤是按照Pb90Sn10焊料CBGA設(shè)計(jì)的,直徑焊盤0.75 mm，焊接完成后焊點(diǎn)高度偏低且下部焊盤尺寸偏大。CBGA焊點(diǎn)的可靠性與焊點(diǎn)外形有密切關(guān)系，若焊點(diǎn)高度過低則會(huì)造成CBGA陶瓷本體與印制板基材間的應(yīng)力無法釋放，若焊點(diǎn)上下形狀差異過大則會(huì)造成薄弱位置應(yīng)力集中[7]。

經(jīng)過Surface Evolver軟件仿真分析，有兩種途徑可以控制焊點(diǎn)過度塌陷：一是增加焊料量提高焊點(diǎn)高度；二是減小印制板焊盤。若通過多次印刷增加CBGA焊接過程中的焊料量其與焊點(diǎn)高度及焊點(diǎn)直徑的仿真結(jié)果如圖10所示。由圖可見焊球高度/直徑均與焊料量(印刷次數(shù))呈線性關(guān)系，但通過此方法改善焊點(diǎn)塌陷的同時(shí)也會(huì)帶來較大的焊接短路風(fēng)險(xiǎn),故采取減小印制板焊盤直徑的方法(焊盤直徑改為0.55 mm)。

圖10 印刷次數(shù)與焊球高度/直徑關(guān)系

2.2 焊膏/溫度曲線

本文中印制板上除了CBGA外還有陶瓷柱狀陣列(CCGA)、陶瓷四面引腳扁平封裝(CQFP)、電阻、電容等器件，顯然選用Sn46Pb46Bi8焊膏焊接該印制板是不現(xiàn)實(shí)的，我們?nèi)匀贿x用普通Sn63Pb37焊膏來進(jìn)行焊接。

該焊接溫度曲線除了需要保證Sn46Pb46Bi8焊球融化外，還需保證CCGA、CQFP、電阻、電容等器件形成良好的焊接，故按表1中的條件1#進(jìn)行焊接。

2.3 焊接結(jié)果

按照上述條件焊接后的焊點(diǎn)與改進(jìn)前的焊點(diǎn)照片對(duì)比如圖11所示，可見改進(jìn)后CBGA焊點(diǎn)的過度塌陷得到了有效控制、焊點(diǎn)上下對(duì)稱。

圖11 焊點(diǎn)照片對(duì)比

3 結(jié)束語

通過剪切力測(cè)試、電鏡掃描、IMC厚度測(cè)量對(duì)比表明Sn46Pb46Bi8焊料性能與Sn63Pb37焊料相當(dāng)，高溫老化試驗(yàn)前后的電鏡掃描、IMC厚度測(cè)量、剪切力數(shù)據(jù)表明Sn46Pb46Bi8焊料具有長(zhǎng)期可靠性。Sn46Pb46Bi8焊料與相關(guān)文獻(xiàn)中Sn42Bi58、Sn43Pb43Bi14焊料的數(shù)據(jù)對(duì)比表明，少量的Bi元素不會(huì)影響焊料性能也不會(huì)造成Bi元素的偏析。

使用Sn46Pb46Bi8 焊料球的CBGA 芯片的印制板焊盤直徑不宜按照普通CBGA 設(shè)置，一般應(yīng)設(shè)置在0.55 mm 左右。

通過本文研究，改進(jìn)后的含鉍焊料的CBGA焊點(diǎn)塌陷正常，上下形狀一致、外觀良好。但由于受時(shí)間、經(jīng)費(fèi)限制，本文未對(duì)焊接后的CBGA進(jìn)行振動(dòng)、循環(huán)熱應(yīng)力等試驗(yàn)，有待今后繼續(xù)深入跟蹤研究。