1、 陕西国防工业职业技术学院表 面 组 装 技 术题 目 无铅焊料的研究 专 业 应用电子技术 班 级 电子 5081 姓 名 韩森 学 号 31508130 任课教师 张玲娜 高敏 1目录引言 2一无铅焊料的发展 3二. Sn-Ag-Cu 合金的主要性能 32.1 典型 Sn-Ag-Cu 合金的物理性能 .42.2 Sn-Ag-Cu 合金的其他性能 4三.可靠性研究 .43.1 无铅焊点的主要失效形式及原因 .43.2 可靠性的主要研究方法 .43.2.1 试验法 43.2.2 数值模拟法 5四. 无铅焊接需要面对的问题 5五.无铅焊料的研究发展趋势展望 6六.结论 6七.致谢 .6八.参考文
2、献 .72引言电子产品在我们的生活中无处不在。在这些产品中，电子封装技术起着举足轻重的作用。随着 IC 制造业的迅速发展，电子封装产业面临着越来越大的挑战。随着对高性能、大功率、小型化在电子产品中要求的不断扩大，电子封装正从有引线(peripherallead)封装向平面阵列(area array)无引线封装趋势发展。由于焊点既能作为电气通道，又能在芯片和基板之间提供机械连接同时提高导热率，所以它在电子封装中得到 r 广泛的应用3。因而焊点的可靠性问题是电子产品设计和使用时的核心问题之一。电子封装件的焊点在服役过程中伴随着循环的热-机械应力作用，极易发生热疲劳和蠕变。因此如何评测它的可靠性和寿
3、命就变得非常迫切。关键词：数值 模拟 试验 可靠 焊料 替代 应力 模型 循环IntroductionElectronic products is ubiquitous in our life. In these products, electronic packaging technology play a decisive role. With the rapid development of IC manufacturing industry, electronic packaging industry is facing more and more challenges. With t
4、he high performance, high power, small in electronic products demand continues to expand, electronic package from a lead ( peripherallead ) package to the planar array ( area array ) leadless package development trend.As a result of solder joint can be used as electrical channel, can also provide me
5、chanical connection between the chip and the substrate while improving thermal conductivity, so it is in electronic packaging are widely used in R 3. Thus the reliability of soldered joints of electronic product design and use one of the core issues. Electronic package solder joints in service durin
6、g the accompanying thermal - mechanical stress, prone to thermal fatigue and creep. Therefore, how to evaluate its reliability and life becomes very urgent.Key words: numerical simulation test reliable solder alternative stress model cycle3一无铅焊料的发展由于价格低廉，具有良好的导电性，优良的力学性能和可焊性，sn-Pb 焊料成为连接器件和印刷电路板的首选焊
7、接连接材料。近年来，无铅焊料的研究和开发受到了越来越广泛的重视。主要原因有：(1)研究表明 Pb 对人体的健康和环境有不利的影响；(2)传统的 SnPb 焊料剪切强度、抗蠕变和抗疲劳能力差，导致平面阵列封装的焊点过早失效；(3)电子产品应用领域的不断扩大，对焊料等互连材料提出了新的要求。欧盟对电子产品实施 RoHS(Restriction of：Haz-ardous Substances)法令无疑更加快了焊料无铅化的进程。传统 Sn-Pb 焊料的无铅替代品原则上应符合以下要求4:(1)熔点接近传统 Sn-Pb 焊料的熔点，特别应该接近共晶 sn-Pb 焊料的熔点(183 ) ； (2)与基板材
8、料或金属材料有较好的浸润能力；(3)机械性能至少不低于 Sn-Pb 焊料，抗疲劳性能好；(4)与现有的液体助焊剂相匹配；(5)加工性能好；(6)以焊膏形式存在时有足够的寿命和使用性能；(7)焊后缺陷率小；(8)价格合适，供应充足；(9)毒性小，不会对人和环境产生不利影响。国际上对无铅焊料的定义为：以 Sn 为基，添加 Ag、Cu、Zn 、Bi 等元素构成的二元、三元甚至四元的共晶合金，代替 SnPb 焊料，其中 W(Pb)应小于01。表 1 给出了常用锡基二元合金焊料的优缺点。二. Sn-Ag-Cu 合金的主要性能到日前为止已出现 r 许多种无钳焊料系列。但是，国际上一致公认的最有可能取代铅锡
9、焊料的足 Sn-Ag-Cu 合金系列。这种合金系列是在 Sn-Ag 合金的基础上添加 Cu，能够在维持 Sn-Ag 合金良好性能的同时，稍微降低其熔， ，而且添加 Cu 以后，能减少所焊材料中 Cu 的溶解。Sn-Ag-cu 的共晶成分还没有精确地确定下来。在日本认为是 965Sn30Ag05Cu，美国认为是955Sn39Ag0 6Cu ，而欧盟则是 955Sn3 8Ag0 7Cu。42.1 典型 Sn-Ag-Cu 合金的物理性能在典型的 Sn-Ag-Cu 合金组织中，刚绕 -Sn 初品形成了共品组织，几乎看不出与 Sn-Ag 共品晶组织有区别。Ag3Sn 徽细结晶具有相当长的纤维状组织，Cu
10、6Sn5 的微细析出品粒混在其中。Sn-Ag-Cu 合金三元共晶点的成分为 956Sn-35Ag-09cu(1)，其熔点为 217，存在多个 Sn-Ag-Cu 成分点，这些点的熔化温度在 217-227 之间。2.2 Sn-Ag-Cu 合金的其他性能Sn-Ag-cu 合金的抗拉强度接近或高于 Sn-Pb 共品。近共晶点合金的屈服强度、剪切强度、冲击韧性及蠕变抗力均高于 Sn-Pb 共晶焊料。Sn-Ag-Cu 合金，离共晶点成分越远，不仅熔点升高，而且抗拉强度和剪切强度也升高，但延伸率降低。而在浸润性方面，Sn-Ag-Cu 合金要比 Sn-Pb 共晶合金稍差一点。三.可靠性研究电子器件服役时，当
11、环境温度变化时由于芯片与基板、元器件与印刷电路板(PCB) 材料热膨胀系数的差异，在焊点内部产生热应力而造成焊点的疲劳损伤；另一方面，相对于服役的环境温度，焊料自身熔点较低，随着时间的延续，产生明显的黏性行为而导致焊点的蠕变损伤。可靠性问题还包括接头中电子迁移及接头与界面处的金属间化合物的生长。焊点的可靠性研究主要集中在焊点的失效机制，影响焊点失效的因素，焊点失效的检测及焊点的寿命预测等。3.1 无铅焊点的主要失效形式及原因当熔融的焊料与清净的基板接触时，在界面处会形成金属问化合物(Intermetallic compounds，IMc)。在焊点服役时，其微结构会粗化，界面处的IMC 亦会不断
12、增长。随 IMC 厚度的增长，会引起焊点中微裂纹萌生乃至断裂。IMC 造成失效的原因主要有：(1)IMC 达到一定厚度时会表现出脆性；(2)由于反应中组元的扩散速率不同造成 Kirkendall 空洞。一般而言，界面处 IMC 越厚，焊点越可能在层间发生脆性断裂。电子器件在服役条件下，电路的周期性通断电和环境温度的周期性变化，会使焊点经受温度循环过程。封装材料间的热膨胀失配，将使焊点中产生应力和应变，而应变基本上要由焊点来承担，造成焊点中裂纹的萌生和扩展并最终导致焊点失效。蠕变是一种热激发过程，在许多条件下均能发生，由于室温(T=293K)已高于大部分无铅焊料熔点的一半(0 5T_)值。因此蠕
13、变是无铅焊料的主要变形方式之一。3.2 可靠性的主要研究方法对无铅焊点可靠性的研究方法主要有两种：试验法和数值模拟法3.2.1 试验法任何封装件都不可避免地存在某种缺陷，为了确保其可靠性，必须在出厂前对其进行加速寿命试验。该实验就是在实验室里进行试验来获得产品可靠性认证的有关数据。加速寿命实验中的载荷要比实际应用中的载荷强度更大，在较短的时间内就可以观察到失效模式，并获得可靠性数据。试验中主要测试的是在拉伸载荷、压缩载荷、剪切载荷等不同载荷下，材料和结构的动态响应，同时还测量材料和结构的拉伸强度、断裂强度和抗疲劳5性等。其中包括：芯片的断裂测试，凸点/焊球的剪切和抗拉测试，引线、连线的抗拉测试
14、，芯片的剪切和抗拉试验，焊球阵列封装(Ball Grid Array，BGA)的剪切和抗拉试验，焊点材料和界面的疲劳测试等。研究焊点的抗疲劳能力的试验方法有：加电功率循环、热循环和机械疲劳三种。循环试验适用于较大热膨胀系数(CTE)失配的部件。由于在加速实验中最高和最低温度下保温时间要比在现场工作时间大大缩短，因而应力松弛不完全，所以现场上的失效寿命总是小于加速实验中达到的寿命。研究蠕变行为通常采用两类试验：同定负载下的持久应力试验和同定形变下的应力松弛试验，两类试验都可以用于模拟焊点服役过程中的负载条件。持久应力试验能够提供静态蠕变速率与温度及应力大小的关系，更有利于了解蠕变机制，是一种更常
15、用的方法。Sn-Ag-Cu 焊点可靠性研究步骤如下：(1)将 Sn-Ag-Cu 焊料用模板印制到印制电路板(PCB)的焊盘上，用半自动贴片机贴好后，在红外回流炉中进行再流焊，一般焊多组试样；(2)将焊后的焊点在高温中(一般为 l 50左右)保温不同时间 (等温时效)后取出做显微剖样及剪切强度测试；(3)将焊后的 PCB 板放入热冲击试验箱中进行冷热循环试验，设定最高温度、最低温度、循环周期、高低温的保温时间，经过一定的循环周期后将试样取出进行显微剖样及剪切强度测试；(4)在不同热循环次数和等温时效时间下，比较焊点显微组织和剪切强度的变化，找出其中的规律。3.2.2 数值模拟法众所周知，由于 S
16、n-Ag-Cu 焊点向小尺寸、细节距方向发展，这给试验带来了更大的困难。为了克服上述困难，通常采用数值模拟法计算可靠性的数据。计算不同场合下的封装结构的应力分布，有限元法(Finite Element Method，FEM)是一种非常强大和有效的方法。有限元模拟及在微组装焊点可靠性分析中的应用，主要集中在三个方面(1)采用有限元分析，求解焊点内部循环非线性应变范围，代入 Manson-coffin方程，预测焊点寿命；(2)根据焊点的最大：Mises 等效应力或等效非弹性应变，预测裂纹萌生部位；(3)以焊点的 Mises 等效应力分布，评价不同焊点的可靠性，指导焊点的优化设计。有限元模拟包括以下
17、几个阶段：首先建立本构方程或理论方程；然后采用适当的假设，编写有限元程序；进而计算结构系统在模拟条件下的应力-应变；将有限元分析结果代入疲劳模型，预测失效前的疲劳，循环次数；最后是试验验证。在多数情况下试验法和数值模拟法是同时使用的。这样二者相辅相成，能更好地研究焊点的可靠性。四. 无铅焊接需要面对的问题 合金本身的结构 使它跟有铅焊料相比 比较脆 弹性不好。Sn-Zn 合金的液相线和固相线的熔点会增高 但随着 Bi 的质量数的增大 焊料的熔化间隔即固液间隔增大 所以 Bi 就会使合金熔点降低、脆性也 比 有铅 增大。 浸润性差 只会扩张 不会收缩。Sn-Ag 系合金添加 Cu 时 共晶点会改
18、变。当 Ag 的质量分数增加 4.8%、Cu 增加约 1.8%时产生共晶 如果在合金添6加 In 时 将会造成提高合金微细化强度和扩张特性的同时 表面会形成氧化膜 所以浸润性稍差。 色彩暗淡 光泽度稍。因为在无铅焊料的搭配中 磷的元素限制了使用所以光泽度稍差,但并不影响其它质量问题。 锡桥、空焊、针孔等不良率有待降低。此类缺陷多于有铅焊料 但是并不是无法解决的问题。助焊剂的种类质量选购比有铅要严格 预热器恒温要稳定。波峰的焊接时间、接触面、PCB 板的温度如第一波峰焊接时间 1-1.5S 接触面积 10-13mm 第二波峰焊接 2-2.5S 接触面积为 23-28mm 左右 板面温度不能超过
19、140以上。所以无铅焊料对于设备性能要求高 特别上双波峰的距离如果设计很近 会造成板面的温度, 增高损坏元件和增加了助焊剂挥发 锡桥等缺陷产生过多现象。五.无铅焊料的研究发展趋势展望 目前, 无铅焊料的研究有以下几种趋势 其一, Sn-Ag-Cu 合金的设计应朝多元化方向发展,因为: (1) 熔点(液相线和固相线温度 ) 偏高; (2) 合金的性能有可能通过添加多种合金元素得到进一步提高; (3) 通过优化钎剂和焊料合金化提高可焊性。其二, 当前 Sn-Ag-Cu 焊料中 Ag 含量约 3 % 4 % ,成本较高,此外, 国际 Ag 含量储备有限, 如果仅仅依靠 Sn-Ag-Cu 系焊料则不能
20、满足庞大的电子市场需求,因此,积极开展资源丰富的廉价焊料将成为未来的热点。其三, 机制的研究, 当前对无铅焊料的材料研究相比较多 而对机理方面的研究相比较少。传统的正交合金设计法已不能满足材料发展, 从微观量子化理论研究焊料及其界面具有重大和深远的意义。 电子产品的无铅、无毒化方向已成定局,我国作为锡和焊锡出口的大国,研究无铅焊料更为迫切;新型焊料的设计与研制 ,可焊性与可靠性的研究, 焊接工艺研究,助焊剂、焊接标准等各方面的配合研究以及无铅化后多元焊料的回收等是无铅焊料取得成功的几个重大课题。 六.结论(1) 通过添加合金元素是改善 Sn-Zn 系无铅钎料性能的有效手段,在保留 Sn-Zn
21、系无铅钎料熔点适中的前提下,微合金化和多元合金化是改善 Sn-Zn 系无铅钎料综合性能的重要手段。(2)Sn-Zn 系无铅钎料 ,由于 Zn 元素的活泼性,在 Cu 基板上 Zn 优先和 Cu 结合形成一层平坦的 CuZn 金属间化合物,在 Sn-Zn 系无铅钎料中添加不同的合金元素也会影响 IMC 的成分与性能。(3)目前大多数文献中对 Sn-Zn 进行润湿性评定时,大都采用传统的松香基助焊剂,因而得不到满意的结果,对 Sn-Zn 系无铅钎料专用助焊剂的研究报道也不多。由于助焊剂对 Sn-Zn 系钎料的重要作用,针对Sn-Zn 系无铅钎料,研究开发能够改善其润湿性能的专用助焊剂并设法降低其腐
22、蚀性具有重要意义。七.致谢 本文研究工作是在我的导师精心指导和悉心关怀下完成的 从开题伊始到论文结束 我所取得的每一个进步都无不倾注着导师辛勤的汗水和心血。导师严谨的治学态度、渊博的各科知识、无私的奉献精神使我深受启迪 从尊敬的导师身上 我不仅学到了扎实、宽广的专业知识也学到了做人的道理。在今后的学习工作中，我将铭记恩师对我的教诲和鼓励，尽自己最大的努力取得更好的成绩。 在此我要向我的导师赵鹏讲师致以最衷心的感谢和深深的敬意。在三年的大学学习期间，电子工艺与管理教研室的每位老师对我的学习、生活和工7作都给予了热情的关心和帮助，使我的水平得到了很大的提高取得了长足的进步。 在此，向所有关心和帮助
23、过我的老师、同学和朋友表示由衷的谢意。 八.参考文献 1 邓安华. 金属材料简明词典M. 北京: 冶金工业出版社,1992. 2 王怀兴. 当今最热门的话题: 无铅焊料J 国外锡工业,1999 , 27 (1) : 20- 21. 3 马鑫, 董本霞. 无铅焊料发展现状J. 电子工艺技术,2002 , 23 (2) : 47. 4 陈国海, 耿志挺, 马莒生,等. 新型无铅焊料合金 Sn2Ag2Cu2In2Bi 的研究J . 电子元件与材料, 2003 , 2 (4) : 36. 5 吴文云, 邱小明, 殷世强,等. Bi, Ag 对 Sn - Zn 无铅钎料性能与组织的影响J. 中国有色金属学报, 2006, 16 (1) : 158 - 163. 6 刘汉城 ,汪正平,李宁成 . 电子制造技术M . 北京: 化学工业出版社, 2005. 7 李宇君 秦连城 杨道国.无铅焊料在电子组装与封装中的应用J.电子工艺技术20062711-4. 8 刘静 徐骏 张富文 等.新型无铅焊料 Sn-Ag-Cu-Cr-X 的性能研究J.稀有
