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影响Sn-Ag-Cu焊料可靠性的因素

影响Sn-Ag-Cu焊料可靠性的因素

作者:青木雄一，田中浩和，片柳宽子，技术开发总部，爱斯佩克(ESPEC)环境测试技术中心

无铅焊接的焊点可靠性问题受到特别重视。采取高低温温度冲击试验和高温试验，可评估Sn-Ag-Cu焊点强度。通过分析Sn-3.5Ag-0.75Cu和Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi焊料的性能，可以研究引起焊点强度下降的因素。主要分析方法包括：使用SEM观察焊点结构变化；使用EPMA完成焊点界面合金层的元素分析。本研究通过对焊点结构变化包括在Ag3Sn网格结构变化的分析，揭示出结构退化、焊点强度下降与可靠性测试结构和合金界面层内反常成长之间的关系。

试验方法

可靠性测试所使用的焊料和为可靠性测试条件见表1和表2。被选来用作分析的对比样品是Sn-3.5Ag-0.75Cu焊料，该焊料各个方面都具有比较好的性能，另一种对比样品是Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi焊料，其熔点较低。元件引脚采取了2种类型电镀：电镀Sn-Pb(Sn-10Pb)和电镀Pd(钯)。
评估PCB板上设计了带有100个引脚QFP封装的菊花链。试验仪器使用ESPEC(www.espec.cn) 的高低温温度冲击试验箱TSA-101S-W和高温试验箱PHH-201。作为评估焊点强度的标准，采用了标准的共晶焊料：Sn-Pb焊料。测试焊点强度的方法：以45°角，将恒定拉力（速度：20mm/min）加到PCB板焊点上，测量PCB板焊点断裂时的*大拉力，即为焊点强度。

试验结果和需考虑的问题
焊点强度
图1表明了焊点强度测试结果。结果表明：无论高低温温度冲击试验还是高温试验，Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi对镀Sn-Pb元件引脚的焊点来讲，经过一定时间后，焊点强度明显下降；而针对镀Pd元件引脚焊点强度，焊点强度差别不大，基本不受焊料种类影响。
图2表明了经过焊点强度测试后的拉断状态。结果表明：经过高低温温度冲击试验和高温试验，大部分被拉断的样品主要发生在元件引脚（Lead）和焊料界面处。但是，Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi焊料，在用于镀Sn-Pb工艺元件引脚时，断裂偶尔会发生在焊盘（Land）和焊料之间。
焊点强度测量可协助我们认识这些测试（高温和高低温温度冲击试验）与发生镀Sn-Pb与Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi间焊点强度下降之间的因果关系，发生了分离。

Sn-Ag-Cu焊料焊接后的焊点结构
针对镀Sn-Pb元件引脚，我们使用SEM观察Sn-3.5Ag-0.75Cu 和 Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi焊料的微观结构。图3展示了对比测试之前和测试之后的微观结构的变化。可以看出，在初始Sn-Ag无铅焊料里，Ag3Sn颗粒形成了网状结构，并将Sn包在里面，但是在超过一定时间后，与初始态相比，在两个测试里，这种Ag3Sn网状结构又开始断裂，变为明显的Ag3Sn粒状。虽然高温试验，Ag3Sn不易转变为粒状，但是，有报道称，在高低温温度冲击试验时，这种网状微观结构转变为粒状结构。在我们测试结果中，焊点断裂是从特定界面上发生的，而且Ag3Sn粒度是微小的。

焊点界面合金层的生长
我们分析了焊料和铜焊盘之间界面处的焊点。就像Sn-Pb共晶焊料那样，Sn-Ag-Cu无铅焊料焊点形成了一个Sn和Cu的合金层。使用EPMA方法，得到了图4所展示的合金层分析结果。我们发现了2种合金层：Cu6Sn5和Cu3Sn，我们认为这是由于可靠性测试导致了合金层生长。

合金层生长对焊点可靠性影响很大。正是这个原因，我们测量了合金层厚度，并研究了合金层在经过一段时间后的变化。研究发现，合金层厚度与时间之间并没有一定的生长规律。图5表明了这种不均允生长。液相凝结过程影响合金层生长，并导致生长的不均匀性。因此，我们采取了测量合金层图象过程厚度平均值，图6列出了测量结果。高低温温度冲击试验所用时间通过打点图表示，1小时1个循环。
对于镀Pd元件引脚来讲，合金层生长与时间平方根成粗略的线形比例关系，可以认为属于扩散控制。然而，Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi焊料与镀Sn-Pb元件引脚的焊点合金层形成是很明显的，报道的这种生长是基于某一熔点的，该熔点接近于Sn、Pb、和Bi三元成份的共晶点)。可是，Sn-3.5Ag-0.75Cu焊料也表现出相对加速生长的现象，对镀Sn-Pb元件引脚来讲，Sn-3.5Ag-0.75Cu焊料合金层生长的趋势更明显。
在高低温温度冲击试验过程中，焊点变形应力是引起焊点强度降低的因素之一。这种类型应力可以触发测试过程的断路，但是，既然整个高温试验过程没有机械应力，那么，这种测试过程中断路可能性是很小的，尽管有报道说机械应力是由于诸如振动因素造成的。

焊点界面的元素分布
如图6所示，高温试验是影响镀Sn-Pb元件引脚焊点合金层的生长的一个因素。为研究有关在镀Sn-Pb元件引脚和Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi焊料之间焊点界面反应层的明显生长因素，我们对Sn-3.5Ag-0.75Cu和Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi焊料也采取了EPMA分析方法，用于比较初始态状况和在125°C高温下、经过2000小时测试后的状况。图7和图8表示出了这些测试分析结果。
图7表明，Sn-3.5Ag-0.75Cu和Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi焊料初始状况，合金层薄且Pb是均匀分布在整个合金层内的。但图8表明，在经过2000小时高温试验之后，合金层表现出明显地生长，而且在Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi部分内的Pb在界面合金层形成了一个高浓度区（富Pb层）。正如合金层是一种Sn和化学物质一样，富Pb层的形成可能是由于周围Sn的富集而引起合金层生长。虽然Bi的添加只有3%，只有少量，但是，正如图7和图8所示的那样，Pb被认为形成了高浓度层。结果，形成了一种类似于低熔点Sn-Pb-Bi共晶化合物，该化合物可以认为是由高温试验时形成液相而产生的合金相的明显生长。既然Sn-3.5Ag-0.75Cu焊料中不含Bi，那么界面合金层中的富Pb层就不会受到影响。有关焊点可靠性，界面Bi的存在能阻碍应力的释放，而使界面处应力升高，进一步导致焊点强度的下降。

　　通过高低温温度冲击试验和高温试验，分析影响Sn-Ag无铅焊料焊点可靠性的因素，可以看出，高温试验时，Ag3Sn网状结构稍有下降，向粒状Ag3Sn相的变化成为很明显的证据。然而，焊接强度不受影响；采用高温试验，进行界面合金层加速生长试验。对镀Pd元件引脚来讲，合金层生长与时间平方根成粗略的线形比例关系，生长在某一扩散控制速率下发生。然而，对镀Sn-Pb元件引脚来讲，无论高低温温度冲击试验还是高温试验，Sn-2Ag-0.75Cu-3Bi焊料焊点合金层都发生了明显的生长，形成的化合物能明显降低焊点强度。

术语
·EPMA（electron probe microanalyzer 电子探针微量分析）
将一束电子束直接打到样品上，从而产生一种元素的具有恒定波长的特征X射线，可通过分析这些X射线完成元素分析，进而，根据使用波长传播性质，可进一步完成高灵敏的分析。
·Diffusion-controlling 扩散控制
一种通过控制物质扩散条件，约束化学反应的速率的过程。
·Concentration layer 富集层(浓缩层)

本报告中，该术语被用来表示由诸如颗粒或金属扩散因素而引起的单个元素的高浓度扩散层。

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