實現高可靠性無鉛焊點的機械性能
福英達公司-研發中心-羅樹全
焊錫的三個基本機械特性包括應力與應變特性、抗蠕變性和抗疲勞性。焊點剪切強度也是體現焊點可靠性的重要因素之一，因為多數焊點在使用期間要經受剪切應力的作用。蠕變在焊點可靠性測試中也是一個很重要的因素，蠕變是當溫度和應力都保持常數時造成的整體塑性變形。這個決定于時間的變形可能在絕對零度之上的任何溫度發生。可是，蠕變現象只是在“活躍”溫度時體現出來。疲勞是指在交替應力之下，焊點可靠性下降甚至失效。疲勞破裂通常從幾個小裂紋開始，在應力的循環作用下增加，造成焊接點可靠性下降，元器件焊接失敗。在電子封裝和裝配應用中的焊錫通常經受低循環疲勞和遭受高應力。熱力疲勞是用來刻劃焊錫特性的另一個測試模式。在電子封裝領域中，我們為了確保實現高可靠性焊點，我們應該對焊點的剪切強度和拉伸強度，蠕變等情況進行測試分析。
1.1剪切強度測試
焊點的剪切強度是反應焊點可靠性的一個重要因素，下面是Sn3.5Ag和Sn4.0Ag0.5Cu合金分別在經過OSP工藝和鎳沉金（ENIG)工藝的焊盤上的剪切強度測試
[1]
從上圖可知，使用不同表面處理工藝的焊盤下合金的剪切強度大小，使用ENIG表面處理工藝≥用OSP表面處理工藝, SAC合金和 SA合金剪切強度也是差不多；經過老化處理對剪切強度產生負面影響；隨著老化時間的延長其剪切強度降低。
1.2拉伸強度測試
焊點的拉伸強度是反應焊點可靠性的一個重要因素，下面是Sn3.5Ag和Sn4.0Ag0.5Cu合金分別在經過OSP工藝處理和鎳沉金（ENIG)工藝的焊盤上的拉伸強度測試
[2]
從上圖可知，使用不同表面處理工藝的焊盤下合金的拉伸強度大小，使用ENIG表面處理工藝≥用OSP表面處理工藝, SAC合金拉伸強度≥ SA合金拉伸強度；經過老化處理對拉伸強度產生負面影響，測試速度越快其拉伸強度老化越明顯。
1.3剪切強度和剪切速度對IMC層厚度的測試
在焊點的IMC層厚度對焊點可靠性有著重要的影響，太厚太薄都會對焊點的穩定性和使用期限造成負面效果。下面是測試焊點剪切強度和剪切速度對IMC層厚度的影響情況
[3]
從上圖可知，剪切強度測試中，剪切速度越快對IMC層的厚度影響越大；合金成分對IMC層的厚度影響不大。
1.4拉伸強度和拉伸速度對IMC層厚度的測試
焊點的IMC層的厚度是焊點可靠性的重要因素，下面我們測試了拉伸強度和拉伸速度對IMC層的厚度的影響情況
[4]
從上圖可知，拉伸強度測試中，拉伸速度越快對IMC層的厚度影響越大；合金成分對IMC層的厚度影響不大。
1.5比較剪切強度和拉伸強度對IMC層厚度的影響大小
焊點剪切強度和拉伸強度對IMC層厚度有著重大影響，下面我們測試兩種不同合金和兩種不同表面處理工藝下剪切強度和拉伸強度對IMC層厚度影響情況
[5]
從上圖可知，剪切強度和拉伸強度對IMC層厚度的影響大小相當。
2.1倒裝芯片接頭的蠕變數據
蠕變現象影響著焊點可靠性，下面是倒裝芯片接頭的蠕變數據
[6][7]
SAC合金蠕變交叉曲線和SnPb合金蠕變交叉曲線測試情況如下圖
[8]
蠕變行為在焊點可靠性方面起著負面影響，下面我們進一步分析焊點中蠕變行為的產生過程，焊點形變小，焊點蠕變是慢的；焊點形變大，焊點蠕變是快的。
為了焊點可靠性更好，我們應該控制合適焊點的剪切強度和拉伸強度，以及IMC層的厚度，使其達到焊接可靠性要求。電子器件在使用過程中，環境溫度會發生變化，由于芯片的功率循環使得周圍溫度發生變化，而芯片與基板之間的熱膨脹系數存在差異，因此在焊點內產生熱應力而造成疲勞損傷。同時相對于環境溫度，焊料自身熔點較低，隨著時間的推移，焊點會產生明顯的粘性行為而導致蠕變損傷，造成焊點斷裂；外部失效模式則表現為電信號傳輸失真，即電接觸不良、短路和斷路。
在一定的條件下，疲勞損傷和蠕變損傷會產生交互的作用，蠕變加速裂紋的形成和擴展，而循環開裂造成的損傷又促進了蠕變的進展，這種交互作用會加劇損傷，使循環壽命大大縮短。而航空航天領域內的電子產品通常處于更惡劣的溫度循環條件下，焊點的疲勞蠕變損傷成為電子產品失效的內在隱患。因此如何控制焊點疲勞蠕變損傷成為電子封裝領域一個重要課題。
福英達專注于微電子與半導體封裝焊料領域20余年，福英達工業科技有限公司是一家全球領先的微電子與半導體封裝材料方案提供商，國家高新技術企業，深耕于微電子與半導體封裝材料行業，從合金焊粉到應用產品線完整，是目前全球唯一可制造T2-T10全尺寸超微合金焊粉的電子級封裝材料制造商。福英達公司錫膏、錫膠及合金焊粉等產品廣泛應用于微電子與半導體封裝的各個領域。得到全球SMT電子化學品制造商、微光電制造商和半導體封裝測試商的普遍認可。但微電子與半導體封裝材料問題廣泛，在此我們僅就常見問題展開了敘述。因工藝過程不同，其過程中所涉及到的問題也可能不盡相同。歡迎您就具體問題與我們的專業人員進行溝通討論。我們希望同合作伙伴共同與時俱進，共同探究新問題、新技術以及復雜工藝，努力為合作伙伴提供專業、周到的微電子與半導體封裝焊接材料服務。
參考文獻
[1]Fubin Song and S. W. Ricky Lee, “Investigation of IMC Thickness Effect on the Lead-free Solder Ball Attachment Strength: Comparison between Ball Shear Test and Cold Bump Pull Test Results”, 56th ECTC Proceedings, P. 1196-1203, San Diego, CA, May 30-June 2, 2006
[2]Fubin Song and S. W. Ricky Lee, “Investigation of IMC Thickness Effect on the Lead-free Solder Ball Attachment Strength: Comparison between Ball Shear Test and Cold Bump Pull Test Results”, 56th ECTC Proceedings, P. 1196-1203, San Diego, CA, May 30-June 2, 2006
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[4]Fubin Song and S. W. Ricky Lee, “Investigation of IMC Thickness Effect on the Lead-free Solder Ball Attachment Strength: Comparison between Ball Shear Test and Cold Bump Pull Test Results”, 56th ECTC Proceedings, P. 1196-1203, San Diego, CA, May 30-June 2, 2006
[5]Fubin Song and S. W. Ricky Lee, “Investigation of IMC Thickness Effect on the Lead-free Solder Ball Attachment Strength: Comparison between Ball Shear Test and Cold Bump Pull Test Results”, 56th ECTC Proceedings, P. 1196-1203, San Diego, CA, May 30-June 2, 2006
[6]Ref: S. Wiese, M. Roellig, K.-J. Wolter, " Creep of Eutectic SnAgCu in Thermally Treated Solder Joints", 55th ECTC, P.1272-1281, May 31-June 3, 2005
[7]Ref: S. Wiese, M. Roellig, K.-J. Wolter, " Creep of Eutectic SnAgCu in Thermally Treated Solder Joints", 55th ECTC, P.1272-1281, May 31-June 3, 2005
[8]Ref: Ahmer Syed, " Accumulated Creep Strain and Energy Density Based Thermal Fatigue Life Prediction Models for SnAgCu Solder Joints", 54th ECTC, P.737-746, June 1-4, 2004, Las Vegas, Nevada.
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