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[资料] Sn-Ag-Cu 细间距无铅BGA的焊接行为和焊点微观结构研究

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发表于 2014-6-17 10:19:26 | 显示全部楼层 |阅读模式

摘要:Sn-Ag-Cu 无铅焊料已经成为电子组装量产所选用的主要合金之一。然而,其焊点相对较差的可靠性(例如跌落试验后出现的严重的焊点界面开裂和大空洞导致的失效)仍是许多生产商所面临的巨大挑战,特别是在细间距(≤0.5mm)的情况下。因此,非常有必要去理解实际焊接中细间距无铅BGA的焊接行为和微观组织状态,从而为设计/工艺提供指导。  在这里,我们探讨了分别用Sn,OSP和电镀Ni/Au作为基体的Sn-Ag-Cu BGA在不同回流条件下的焊点空洞/晶粒/金属间化合物的变化趋势,并讨论了可能的机理。此外,作为可靠性试验的一部分,我们也总结了冲击试验下焊点的典型失效模式。基于这些实验结果,文章也建议了预防性的解决方案。


  简介
  Sn-Ag-Cu合金由于拥有较低的熔点,较好的可焊性和优良的固态热机械性能而成为首选焊膏材料。因此,Sn-Ag-Cu系统已经被很多无铅焊料和元器件供应商所采用,并通过了一些国际知名电子厂商的认证。
  但是,随着欧盟RoHS指令期限的临近,在经历了“向前"和“向后”兼容的过渡阶段后,我们必须取得迈向完全无铅焊接的实质性进展并很快实现量产。然而,除了对设备、元器件兼容性方面的考虑,焊点可靠性较差的问题已经成为业界所必须面对的新的巨大挑战,而且这一点对BGA元器件来说尤为突出。
  严重的焊点界面开裂和大空洞是许多生产厂都已经或正在遇到问题。因此,很有必要去理解实际焊接中细间距无铅BGA的焊接行为和微观组织状态,更深入地理解失效模式,从而为设计/工艺提供一些可行性的建议。实际上,近些年来对Sn-Ag-Cu焊点的微观研究工作已有很多,但是绝大部分工作都基于实验室阶段,因而和实际的焊接过程存在一定的距离。其中,探讨回流曲线和回流次数对微观组织影响的研究也就更少。
  同时,业界高密度封装和体积小型化的发展趋势也导致了细间距BGA 元器件的发展。间距要等于或小于 0.5mm, 焊球的直径小于0.30mm。很明显,这会带来无铅焊接之外的另一巨大挑战。
  在这里,我们探讨了分别用Sn,OSP和电镀Ni/Au作为基体的Sn-Ag-Cu BGA 在原料阶段和不同回流条件下的焊点空洞/晶粒/金属间化合物的变化趋势,并讨论了可能的机理。


  试验
  材料
  用于试验的BGA样品是来自同一供应商的432球链状 PBGA,焊球间距为0.4mm,焊球为SnAg3.8Cu0.7合金,PCB板为SMD型OSP 涂层的测试板。对于其中一些PCB板,尽量避免了通孔设计,从而能和带有通孔的PCB板进行焊点的比较。试验所选焊锡膏均为商用SnAg3.8Cu0.7系列.
  实验设计
  三种基体的BGA在无氮气保护的回流炉中实现焊接,峰值温度为235℃. 分别采用了两种回流曲线(线型和台阶型)以及不同的回流次数(1次和2次)。两种曲线的主要区别在于预热阶段的不同:对于台阶型曲线,采用了大约160秒的保温时间。 同时,我们也做了150℃/36小时的时效试验,来调查时效处理对焊点微观结构的影响。

  结果与讨论
  焊点形状及空洞
  对所有三种不同基体的BGA, 焊点都较为正常。大的空洞基本都出现在有通孔的焊点中,最大直径可达160微米。由此可见,通孔会引起较大的空洞。 此外,X-ray 和切片试验的结果显示对于有通孔的BGA焊点,空洞的数量/尺寸会随着回流次数的增加而增长,即多重回流倾向于引起更大更多的空洞,这和通孔中严重的杂质/气体溢出有关。我们同时发现BGA基体的变化对焊点中的空洞并无显著影响。
  一些工艺工程师认为延长保温时间会有助于降低焊点中空洞的数量。在这里,也许是两种曲线的差异并不显著,我们并没有观察到类似的现象。尽管如此,我们仍然认为适宜的保温时间在某种程度上的确有助于减少空洞尺寸。但是考虑到无铅焊接的温度较高,焊球很容易过度氧化;若保温时间过长,助焊剂耗尽而导致焊点表面的“葡萄”现象或虚焊问题必须引起警惕。
  因此,由通孔导致的大尺寸空洞仍是无铅BGA焊接的主要考虑之一。可能的解决办法包括优化通孔的设计,或者采用PCB填孔的方式。显然,后者会降低由空洞带来的失效,但同时也会带来单位成本的增加。
  相邻焊点间尾状物的出现是我们所需关心的另一个问题,因为它可能会带来潜在的桥接,尤其对细间距BGA来说。显微镜观察显示,尾状物恰好位于阻焊层的上方。尾状物的产生可能与回流时PCB板的局部变形或翘曲有一定关系,但尚需要进一步的分析。但可以确定的是,其出现几率与BGA基体的种类和焊接条件并无明显关联。





  焊点的微观组织
  1、基本相和合金晶粒。
  Sn-Ag-Cu BGA 焊点的微观结构主要由3部分组成:富Sn相(主要), 弥散分布的Ag3Sn和Cu6Sn5相 (包括焊点中析出的的六角形颗粒和分散的细小颗粒),如上图所示。
  在OSP基体的BGA的焊点界面附近,可以发现长的银棒(其成分为Ag3Sn),而且靠BGA边的银棒的数量/尺寸要多于PCB边。值得注意的是,在镀Sn和镀Ni/Au的BGA焊点中,都未观察到银棒的出现。一些文献认为这种大银棒的出现会对焊点机械行为带来不利的影响从而会降低疲劳寿命,因为有试验结果表明裂纹会沿着银棒和富Sn相的界面扩展。
  那么银棒究竟来源于SMT过程的回流焊接过程还是在原料中就已经存在?对BGA原料的切片结果显示界面处已经存在许多由供应商的植球过程所形成的大的银棒。但由于焊点靠近PCB 界面处也有许多银棒的存在,说明SMT过程的回流焊接也会导致银棒的形成。因此,不管是元器件供应商还是SMT厂商都有责任采取措施避免Ag3Sn的形成。
  Sung K.等认为银棒的形成可以归结于3个因素:缓慢的冷却速度,较高的银含量和充足的铜原子供应。研究结果显示,当因含量低于3 % 或冷却速度高于1.5℃/S 时,可以显著抑制银棒的形成。
  在这里,考虑到所采用的冷却速度较快(大约3℃/S),而且不同基体样品的Ag含量基本相同,我们认为Cu含量对银棒的形成起着至关重要的作用。能谱分析结果也显示在银棒中总能探测到一定的Cu含量,同时我们也注意到绝大多数银棒都在焊点的界面形成。下图就显示了一个有趣的现象:Ag3Sn沿着Cu6Sn5金属间化合物的界面交叉形成,直接反映了这一区域较高的Ag 和Cu 含量。上述讨论和试验结果是吻合的:和其他基体的BGA相比,OSP焊点中的Cu原子更易扩散到界面从而促进了银棒的形成。



  另外一个发现是所有类型BGA焊点中大块Cu6Sn5 的出现,其形状可以是六角形,H型或 C型。可能是由于Cu原子供应充足,最大尺寸的块状Cu6Sn5 主要出现在以OSP为基体的BGA中。但考虑到其自身的脆性和对合金连续性的影响,这种大块Cu6Sn5金属间化合物对焊点强度也应该是有害的。
  此外,分析结果也显示,随着实验条件如焊膏品牌,回流曲线和回流次数的变化,合金晶粒尺寸并无规律化的变化趋势。甚至因为冷却速度的差异,同一行焊点的晶粒尺寸也有极大的差异。总的说来,拥有大焊盘焊点的晶粒尺寸相对较细,而细晶粒是有助于提高焊料强度的。这一点应该对设计者提高BGA的边角焊点的可靠性有所启示。
  2、 界面金属间化合物层(IMC)
  众所周知,界面金属间化合物(IMC)层对焊点的强度起着至关重要的作用。它的特性决定了焊点和界面的结合强度。对于无铅焊接而言,金属间化合物及邻近区域通常是整个焊点最为薄弱的地方。
  实验中我们发现,对不同的基体焊点,其靠近BGA的IMC的成分和形貌有很大不同。Ni/Au 基体BGA的IMC是细针状的  Ni-Sn-Cu颗粒聚集在连续的IMC区域;镀Sn BGA有相似的形貌,但是由于不再有Ni阻挡层,IMC的成分为Cu-Sn。对于镀OSP的样品,两边的界面IMC都是扇贝状的Cu-Sn。在IMC厚度方面,OSP基体BGA样品要厚于其他两种基体,这和Cu6Sn5 由于Cu原子供应充足而导致的快速生长有关。
  对所有的三种 BGA样品,焊点和PCB 焊盘的界面都是扇贝状的Cu-Sn IMC;且随着基体、回流曲线类型,以及回流次数的变化,IMC的厚度都无明显改变,基本为2.0 to 3.0 微米左右。需要注意的是,OSP 基体BGA中的Cu-Sn IMC 显得更为粗糙,从而有助于提高它们和焊料间的结合强度。
  对于同一种基体的样品,回流条件的改变对IMC层的形貌和厚度并无显著影响。原因在于对于给定的材料,IMC层的形成主要与时间和温度有关。所以通常而言,显著的IMC层厚度的增长只能在一定的时效条件下才可以观察到。回流曲线和时间的在一定范围的变化还不足以导致IMC层的显著变化。




  热时效后的焊点微观结构
  同时,我们也采用了150℃/36 小时的热时效实验来研究镀锡焊点的变化。结果发现,靠近BGA边的Cu-Sn IMC 层变厚。在Cu-Sn IMC 和 Cu 基体的界面,形成了一种叫做Kirkendall 空洞的微孔。这些空洞的形成与界面Cu-Sn相互扩散的不平衡有关:Cu 焊盘上的Cu原子迁移留下不能被Sn原子所填充的原子级空穴,后来这些孔穴集聚成空洞。有报道认为这种空洞是热时效下焊点强度退化的主要机制之一。
  同时,时效后靠PCB边的Cu-Sn IMC变厚且趋于平缓, 不再是原始的扇贝状。甚至在一些焊点中,在Cu-Sn 和Cu集体的界面出现了新的连续的一层物质。根据有关文献,应该是Cu3Sn。
  另一个有趣的现象是时效后,焊点中的六角形的Cu6Sn5数量更多,这应该归结于时效过程中Cu含量的增长。


  冲击试验的主要失效模式
  摆锤装置的冲击试验被用来预测BGA焊点可能的失效模式。该方法可以看作是对跌落试验的一个比较好的模拟。我们把重点放在冲击试验的一个主要原因是绝大多数开裂失效都是在跌落试验后发现的。
  结果显示,两种失效模式是主要的:分别是沿着BGA和PCB 的界面开裂。裂纹萌生于Cu-Sn IMC 和Cu 基体的界面;甚至于扩展到靠PCB边的焊料的内部。这说明当成受冲击时,IMC/焊料间的结合强度要大于Cu 基体/IMC 间的强度。
   但是我们并没有看到老化试验时发现的裂纹沿着大块Ag棒和富Sn 相的界面扩展的失效模式。一方面,焊点界面靠近 IMC层的区域看起来是整个焊点最为薄弱的地方;另一方面,银棒的存在在一定程度上所导致的固熔强化效果会有助于提高某些机械方面的性能比如剪切强度等。
  无论如何,如果仅仅从机械可靠性方面考虑,银棒的存在将不是主要的问题。但是考虑到热膨胀系数的匹配问题,仍需验证其热力学的可靠性。因此我们也依据相关手机产品标准作了65℃/90%RH 及-45~75℃的热湿度及冷热循环试验,结果显示并无严重的失效出现。这也说明,温度冲击并不会对Sn-Ag-Cu 焊点的可靠性构成较大的威胁。



  结论
  本文探讨了细间距Sn-Ag-Cu无铅BGA 在不同基体镀层和焊接条件下的微观组织,并得出了以下的结论:
  1、由过孔引起的大空洞是无铅BGA焊接的主要考虑之一;需要通过优化过孔设计解决这个问题;
  2、相邻焊点间出现的焊料尾状物由于可能带来潜在的桥接问题而须引起注意;
  3、在且仅在镀OSP的原料和回流BGA样品的界面发现较大的Ag棒,它的形成和较高的Cu含量有密切关系。如果仅仅考虑机械可靠性和普通的温度冲击,银棒所致的失效并不是主要的失效模式;
  4、对靠近BGA边的界面IMC层,对于不同基体的BGA,其成分和形貌有明显的差异;而在靠近PCB边,扇贝状的Cu-Sn IMC 存在于所有类型的焊点中。随着回流曲线类型和次数的变化,IMC层并无明显的差异;
  5、长时间的热时效会使焊点界面的IMC变厚并趋于平缓;同时,Kirkendall 空洞或Cu3Sn 也会开始形成,并会对焊点的可靠性带来有害的影响。


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发表于 2014-6-25 17:00:56 | 显示全部楼层
放大看才能理解。。
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发表于 2014-7-16 15:32:37 | 显示全部楼层
Sn-Ag-Cu合金由于拥有较低的熔点,较好的可焊性和优良的固态热机械性能而成为首选焊膏材料。因此,Sn-Ag-Cu系统已经被很多无铅焊料和元器件供应商所采用
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发表于 2016-7-28 22:29:10 | 显示全部楼层
学习了,很专业
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