第4讲电子制造的可靠性问题

第四讲第讲电子制造的可靠性问题电子制造的可靠性问题主讲：潘开林博士《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]内容提要1.焊料的可靠性问题对可靠性的影响2.IMC对可靠性的影响3.AU脆现象与预防4.金属偏析现象与预防5离子迁移5.离子迁移6.锡须空洞7.空洞8.元器件开裂《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]1.焊料的可靠性问题•焊料的力学特性•不同焊料对可靠性的影响•不同焊料对可靠性的影响《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]焊料的力学特性焊料的力学特性主要包括抗拉强度、剪切强度、抗蠕变性、疲劳强度、延伸率等等。抗拉强度、剪切强度、抗蠕变性、疲劳强度主要影响焊点的强度与互联的可靠性。延伸率决定焊材在加工时的成型特性。其余的机械性能包括：裂纹扩展速率、显微组织的热稳定性、硬度、抵抗杂质沾污降低强度的能力。《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]部分焊料的机械性能性能参数Sn3.5AgSn0.7CuSnAgCuSn37Pb抗拉强度（Mpa）352348.546剪切强度（Mpa）*(1mm/minreflow)2720~23—2339*28.5*—34.5*(60/40)*(1mm/min,reflow)焊点(N/mm2,20°C)焊点(N/mm2,100°C)3928.534.5(60/40)2723272317161714杨氏模量（GPa）26~56//15.7~3520°C137861380蠕变强度N/mm220°C13.78.6138.0100°C52.151.8延伸率（%）394536531《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]延伸率（%）394536.531不同焊料对可靠性的影响•SnPb比SAC具有更快的蠕变率，更容易发生由蠕变造成的失效。成失效SAC和SnPb焊料合金在50℃时的拉伸蠕变应变率焊料在低应力状态下发生的蠕变《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]的拉伸蠕变应变率不同焊料对可靠性的影响在低应变环境下，无铅焊点比SPb互连焊点具焊点比SnPb互连焊点具有更高的可靠性。而在苛刻的环境或者高质量苛刻的环境或者高质量的军事和空间设备的加速试验中，会导致SAC焊料的寿命比SnPb短,这一定程度上是由于无铅焊料塑性较SPb差导致的料塑性较SnPb差导致的。SnPb和SAC焊接的组件在温度循环下寿命周期与剪切应力范围的关系曲线《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]不同焊料对可靠性的影响由有铅到无铅的靠性变化•BGA、CSP由有铅到无铅的可靠性变化《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]对可靠性的影响IMC的形成焊接过程中固相Cu的扩散过程IMC的状态对焊点可靠性的影响IMC的厚度都焊点可靠性的影响IMC的厚度都焊点可靠性的影响IMC的微组织结构对焊点可靠性的影响《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]IMC的微组织结构对焊点可靠性的影响IMC层的形成接合部的微细化发展对界面状态的影响《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]层的形成扩散形式合金层的形成低温下晶界扩散显著，晶内扩散减少；高温下晶界扩散和晶内扩散均很容易发生。《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]晶界越多的金属晶粒越细就越容易键合。焊接过程中固相Cu的扩散过程《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]状态对可靠性的影响IMC状态对可靠性的影响——η-Cu6Sn5层•界面粗糙的胞状层该层横截面表现为树枝晶，树枝间有大量空隙，与焊料接触界面粗糙。•扇贝状界面的致密层在俯视图中形状类似胞状晶粒，但IMC层致密，与焊料接触的界面类似于扇贝状扇贝状。•平直界面的致密层快的冷却速度产生平直的CS层快的冷却速度产生平直的Cu6Sn5层，随着加热时间的增加，会产生更多小瘤状扇贝状的CuSn《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]瘤状、扇贝状的Cu6Sn5。IMC状态对可靠性的影响IMC状态对可靠性的影响——η-Cu6Sn5层ηCu6Sn5层•当接合部受到外力作用时，界面的高强度应力集中最容易发生在凹凸的界面处因此呈半岛集中最容易发生在凹凸的界面处，因此呈半岛状突出的Cu6Sn5根部容易发生断裂。《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]状态对可靠性的影响IMC状态对可靠性的影响——ε-Cu3Sn层层•在等温凝固阶段，ε-Cu3Sn层的生长通过消耗Cu和Cu6Sn5进行反应。ε-Cu3Sn层总是平直地生长。Cu3Sn金属间化合物是一种硬度更高，脆性更大的合金相，它的出现对焊点的机械强度有着不利的影响。《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]厚度对焊点可靠性的影响•IMC厚度•IMC厚度有学者针对纯Sn、Sn1.5Ag、Sn2.5Ag三种合金在Cu上组成的BGA焊点进行实验研究表明IMC层存在一个临界厚度此时剪切强度最大点进行实验研究表明，IMC层存在一个临界厚度，此时剪切强度最大。生成的金属间化合物厚度在4μm以下时，对焊点强度影响不大。焊盘涂覆层焊料成分250℃的时合金层厚度机械强度焊盘涂覆层焊料成分间（min）合金层厚度（μm）机械强度（N）12.254HASLSn32Pb2Ag104.056604212604.21215.441《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]/AuSn3.5Ag107.238609.912IMC微组织结构对焊点可靠性的影响Pb偏析板状Ag3Sn板状Ag3Sn柯肯达尔空洞《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]偏析•紧挨着IMC形成的连续的富Pb相区失去了原有IMC的机械强度，并且提供了疲劳裂纹易于扩展的途径。《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]板状Ag3Sn板状的Ag3Sn较硬，通常应力会集中在它的边缘边缘集中，裂纹也通常会沿着边缘扩展，导致拉伸强度、疲劳寿命的降低。因此，对于焊料来说一般在共晶点附近焊料的成分不能向金属间化合物《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]对于焊料来说般在共晶点附近，焊料的成分不能向金属间化合物方向偏移。柯肯达尔空洞•柯肯达尔空洞是发生在焊点和焊盘之间的金属间化合物层中。之所以叫柯肯达尔空洞，主要是因为这些空洞是由柯肯达尔效应所形成(柯肯达尔效应指的是两种洞是由柯肯达尔效应所形成(柯肯达尔效应指的是两种扩散速率不同的金属在扩散过程中会形成缺陷的现象)。《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]脆现象与预防Au脆现象：Au是一种抗氧化性很强的金属，焊料对它具有很强的润湿能力。一般情况下焊接时间很短，所以，Au不能在焊料中均况下焊接时间很短所以不能在焊料中均匀地扩散，这样会造成在局部形成高浓度层。如果焊料中金的含量超过3%时，则焊接出来如果焊料中金的含量超时则焊接出来的焊点就会变得很脆，导致其机械性能下降。因此，这层高浓度层的连接强度很低。因层高浓度层的接强度很低《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]镀Au的缺陷Au在焊接后光泽变差，颜色发白，从表面看很像冷接合或虚焊很像冷接合或虚焊；在光亮镀Au时，会在镀层界面产生由聚积物引起的裂纹；镀Au会让人误以为钎料很容易在Au的表面润镀会人误以为钎料很容易在的表面润湿，焊接效果好，但实际上焊点往往并没有焊好；焊好；PCB上的Au厚度难于控制。Au层太厚容易导致金脆的产生。《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]金脆的产生。焊点中Au含量对脆性的影响•在焊接过程中，Au不断溶解在焊料中，在凝固时析出AuSn4并且均匀分布在焊料中；4•但在焊点固相老化过程中，析出的AuSn4颗粒会从焊料的内部向焊料和Cu间的界面运动，并会从焊料的内部向焊料和Cu间的界面运动，并造成界面处的脆性断裂。•含Au的Sn37Pb钎料构成的焊点的机械性能随•含Au的Sn37Pb钎料构成的焊点的机械性能随Au含量的不同而不同的。当未达到Au的溶解度时焊点的机械性能随着Au的含量的增大而度时，焊点的机械性能随着Au的含量的增大而增长。但是，当达到Au的溶解度时，焊点的机械性能便随着Au的含量的增加而减弱《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]械性能便随着Au的含量的增加而减弱。例1：PBGA在ENIG的Ni/Au表面贴装并按常规再流焊接再在150℃温度下烘烤两周不同阶段下焊流焊接，再在150℃温度下烘烤两周，不同阶段下焊点切片的SEM图：《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]例2：PBGA组装件在150℃老化两周后的金脆，表明主裂纹在Au-Sn化合物和Ni-Sn化合物间扩展。主裂纹在Au-Sn化合物和Ni-Sn化合物间扩展。《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]老化后PBGA组装件的断裂位置《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]脆现象发生的冶金机制1）一次再流1）次再流）老化烘烤2）老化烘烤3）二次再流《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]脆危害的案例某镀Au的天线簧片采用再流焊接将其焊在PCBA主板上。镀Au天线簧片在主板上的安装《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]镀Au天线簧片在主板上的安装该零件在主板组装再流焊接后一碰就掉，断零件板装再焊接后就掉断裂界面呈典型的脆性断裂失效特征。断裂界面《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]金相切片金相切片焊点切片切片金相焊点切片切片金相《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]分析：焊缝中部和簧片界面附近的EDS元素分析。谱图在状态CNiAgSnAu累计谱图在状态CNiAgSnAu累计谱图1是80.1319.87100谱图2是41210563407440752100谱图2是4.1210.563.4074.407.52100最大4.1210.563.4080.1319.87《电子制造可靠性工程》Dr.PankailinE－mail:[e-mail]最小4.1210.563.4074.407.52失效分析：由上表可知，在焊缝钎料中Au元素浓度非常高，且分布且分布不均匀。焊缝钎料中Au浓度超过3wt%（限制浓度）度）。可判定该案例的失效原因：由于焊缝钎料中Au元素浓度过高而导致接点抗剪强度蜕变，最终引发“Au脆断裂”。《电子