无铅微焊点尺寸对其力学性能影响的分析

吴平峰 贵州大学机械工程学院 贵州贵阳 550025

贵州电子信息职业技术学院 贵州凯里 556000

【文章摘要】

伴随着时代的发展，微系统封装技术也朝着更高的水平发展和进步，它的尺寸也更加细小，无铅的钎料连接处包含的晶粒数量是十分有限的。具有有限晶粒数量的微焊点对于基本的力学性能将区别于其它的大尺寸焊点，而且在一定程度上影响着电子封装设备和组装一般产品的安全性。进一步深入探讨无铅微焊点的力学性能和细小的断裂行为，有利于更好地检测电子封装产品的可靠性能。本文重点分析微焊点对力学的性能影响研究，在综合分析的力学性能的前提上，进一步探讨无铅钎料焊点的可靠和安全性能研究，重点关注了微焊点内的晶粒分布和取向的状况，还有研究无铅微焊点里的金属化合物（IMC）具体状态对于不同大小体积的微焊点的力学性能的影响，并系统分析了微焊点在进行一定的处理过程中产生变形行为或者发生裂纹的扩大行为。

【关键词】

无铅微焊点；力学性能；影响研究

0 引言

自从进入21 世纪以后，我国社会和科学迅速发展起来，互联网的普及率也飞速上升，电子产品和其他高科技产品不断地更新换代，一些市面上的电子产品和应用系统朝着微型、轻薄、多功能性能、可靠的方向发展，而且一些电子设备的元件尺寸和封装结构也朝着微型不断发展，这样使得连接的焊点尺寸越来越小，而且使得电子设备的安全性能面临着严重的挑战。研究表明，一般情况来说，当微焊点的体积小于 10–12 立方米，它的数量级别大概是等于球栅阵列(BGA) 实际封装中的直径和高度大小都是为 110 μm 的焊点尺寸，它的力学性能跟一般的体钎料是完全不相同的，因为这种焊点尺寸因发生改变而产生的行为与性能的现象也可以被称为尺寸效应。微焊点一般常常是电子设备产品性能最关键的重要位置，所以微焊点的力学性能和尺寸大小效应已然成为了当今社会电子封装发展的安全可靠性和有效性的重点研究问题。

1 无铅微焊点对力学的性能影响研究

1.1 无铅微焊点与材料的关系

众所周知，无铅材料的微观组织是其力学性能的基础和重要前提。所以研究材料的变化对微焊点的力学性能影响是值得重视的。例如科学家对已经老化的Sn-37Pb/Au-Ni 焊点进行剪切行为的研究，得出相应的结论，那就是已经老化的焊点尺寸减小是因为在其老化的过程中的IMC变平，其钎料变平主要是由IMC 实际的接触面积逐渐减小导致的。同时也认为质感脆性的化合物质的厚度对微焊点的结合强度起关键性的重要作用，或者是说老化以后的焊点的强度减小是由于IMC 生长和钎料界面变得粗糙而产生的，还有一些研究人员认定化合物的组成部分影响着微焊点，IMC 对于钎料和微焊点的力学性能同样会产生较大的影响。

1.2 各项研究分析

对于不同类型的成分结合金和微焊点的组成跟力学性能进行相关的研究，结果得出：在一定程度上，物体基体中的共晶组织的面积比例决定了结合金和焊点的力学性能，还有共晶组织里颗粒的分布情况，如果当材料的晶体含量过于大，容易导致焊点出现严重弱化。对于一般的慢速冷却实验，先解析出来的颗粒产生裂纹，裂缝并且发展到基体上。然而进行快速冷却的实验，在晶体和基体的界面上产生一定的裂纹。对于钎料结合金做关于共振的试验，研究结果得出基体的形态在一表1 Amkor 进行无铅钎料的微焊点的可靠和安全性能分析所选用的无铅钎料__定程度上严重影响着裂纹产生和振动运动的寿命，裂纹一般是随着针状的边缘进行延展，先被破坏的的大量材料减小了钎料的拉伸强度。例如，在实际研究中，基体里的Ag3Sn 与材料的尺寸大小十分相关，并且产生一些的重要影响，老化之后的Ag3Sn 的表面出现粗化，然后导致焊点的性能韧度减小。在高温的条件下，共晶组织在实验过程中的 Ag3Sn 影响就是微焊点的剪切力学性能，所以得出以下结论，那就是基体里的 Ag3Sn，特别是在界面上产生的树枝形状 Ag3Sn 对于 Flip Chip 连接焊点的力学性能起着重要的作用。

1.3 无铅钎料和连接微焊点的晶粒分布研究

无铅钎料料一般大部分都是Sn 含量大的材料，然而β-Sn 的晶体内部结构一般是内部四方型的结构，具备着典型的方向异性的特征。因为微型系统包装朝着高科技水平发展，连接的尺寸越来越小，如果当尺寸小到一定的程度上，它的接头将有可能出现有限的晶粒，它的微观力学性能跟所阐述的大尺寸微焊点有着明显的差异。根据实验测试微小型的 Sn-Ag-Cu 微焊点原位切除情况来看，在实际的钎焊剪切实验中，焊接点的非力学性能行为主要依靠焊点的微观内部晶体组织，这些组织有着明确的方向性，因为每一个晶粒相对应的只有一个系统被激活。微焊点有着有限的晶粒个数，而且它的接头尺寸越小的话，所具有的晶粒数量也会相应地减少。在晶粒里，Sn 树枝的晶体与周围的共晶组织具有相同晶体的选择。材料的应力状况对晶粒选择不准确，不一样的晶粒选择的焊接点也是有着不同的效率。对材料的偏光和电子散光的分析得出了相异的体积无铅钎料和微焊点的晶体数量，然后发现其内在包含的晶体数量十分地有限，无铅微焊点没有明确的择优。

2 无铅微焊点的可靠和安全性能研究无铅的微焊点安全和可靠性能的代表性研究是美国Amkor 实验室联合美国制造科学实验机构工作而提出来的，制定了高温效率无铅焊点钎料的计划，对不同成分的无铅钎料BGA 封装的安全性能进行相关的研究。表 1 列出了所研究的无铅钎料。

根据上图所示，可以得出，对于Sn-Ag-Cu 无铅钎料来说，因为材料的共晶成分的无法确定，所以Sn-Ag-Cu 和Sn-Ag-Cu-Sb 这两类的成分一旦有所差别，Sn-Ag-Cu 材料的结合金焊点的安全可靠性没有什么不同之处。研究表明，对BGA、CSP 等其他类型的封装来说，不同类型的封装应该采取相异的热循环实验，但是在总体上来说，无铅钎料的效率能力一定是优越于一般的传统Sn-Pb 钎材料，无铅钎料微焊点的安全性在一定程度上也要比Sn-Pb 钎料好，所以需要进一步的研究和分析无铅钎焊料微焊点的安全性能。

3 分析微焊点的尺寸和高度的实际影响

3.1 无铅微焊点高度变化的影响。为了跟以往的实验研究结果进行区别和对比研究，运用有限的元数法来运算了不同尺寸的无铅微焊点在静态拉伸负荷压力的状况下，一般典型的微焊点尺寸一般直径是200μm，高度h 是 175μm，如图 1 所示对材料进行拉伸终止的应力分布情况。一般情况下，主模型的无铅微焊点中的Von Mises 等其他的应力的基本最大值是在裂纹顶端周围，裂纹的顶端分布在边缘的钎材料和铜引线，负荷压力比较小。此外，上端IMC 偏右位置处的负荷值较大，容易产生裂纹生长位置，裂纹顶端效负荷力的最大值是在钎料一边，一旦当运用的线弹性断裂的基本方法，在具体的分析材料断裂问题情况下，应用压力的强度因子(SIFs) KI 或者是KII，这两类都是表现裂纹顶端的拉伸应力的最基本参量。图 1 是模拟实验运算，得出的Sn-Ag-Cu 和Sn-Pb 两种材料的直径值为200μm 的微焊点里的裂纹顶端应力韧度因素KI 和 KII，伴随着高度h 的变化而产生变化。

显然，KI 和 KII 均随微焊点高度的减小而下降，但当焊点高度小于 225μm后下降幅度较为明显；且 Sn-Pb 钎料微焊点中的应力强度值远高于Sn-Ag-Cu 钎料微焊点。这些结果表明，发现焊点具有“越小越强”的尺寸效应是一致的。3.2 在静态的拉伸负荷压力情况下，对没有损坏完好的铜引线、钎料连接微焊点进行模拟实验，可以得出以下结果，其力学性能的最大值一般是在微焊点上的IMC 和钎料表面上接近的边缘位置。所以在微焊点表面上出现的裂纹的状况下，在微焊点表面的钎料的偏下方的表面上靠近左边的边缘上把长度设置为 40μm 的线形状的裂纹，如图 2 所示。为了达到裂纹的顶端应力分析的真实与正确性，应该在裂纹附近位置建立一个子模型，并且对网格再具体的细分工作再进行相应地运算。具体的实验结果显示，在回流焊接的情况下，Sn-Ag-Cu 钎材料与铜焊接的结合表面的实际断裂强度应该是大于 6 MPa•m1/2，但是本实验研究的微焊点的裂纹顶端的应力韧度因子应该都1MPa•m1/2 之下，这样才不会导致裂纹出现任意扩散。按照断裂力学性能的原理，断裂力学的接近值的最小误差应该控制在小于10%。

4 实验得出的结论

4.1 在微焊点直径比较稳定的情况下，具体的高度变小时，它的表面裂纹扩大的应力也相应地降低，微焊点的韧度能力得到相应的提升，很明显边缘处的裂纹顶端通过裂纹扩大变化，KII 值比扩张性的裂纹应力KI 值要高。

4.2 在微焊点的尺寸和负荷力相同的情况下，无铅微焊点中的表面裂纹的动力性能小于铜钎料的微焊点，这说明了它的动学性能优于铜钎料的微焊点。

4.3 在进行电传输过程中，铜钎料的微焊点因为极性效应而导致表面的IMC变厚，这样对微焊点的动学性能影响较小，但是焊点边缘处的积聚扩展，这使得钎料的表层出现裂纹，应力韧度逐渐地提升；当无铅的微焊点边缘处距离等变化比较小时，高度不同的微焊点上表层应力韧度因子区别也是差不多的。

4.4 微焊点在进行热时效实验的过程中，两边的表层IMC 厚度的逐渐增大，使得界面裂纹受力水平相应地减小，相关的表面裂纹受力韧度因子也相应地减低，然而要弄清表层IMC 的厚度和微焊点的力学性能定量分析研究，一定要注意好焊点组织结构、存在的缺陷以及力学原理分析等几个方面进行相关的具体研究。

5 结语

无铅微焊点的力学性能，关于体积大小影响是显著的，在重新溶解和一般老化的情况下，微焊点的裁切韧度是随着微焊点体积的变小而增加，反之亦然。出现的断裂情况也同样存在着明显的差别。然而基体里的IMC 是影响各种体积的无铅微焊点力学性能表现的关键性因素。在一般重新熔解的情况下，根据无铅微焊点的实际体积的变化情况，使得IMC 形态出现的变化也是十分明显的，在出现老化情况下，它一般都是由粗糙转化为颗粒物。随着微型系统的封装技术不断革新，所以有着一定数量的晶体微焊点的力学性能研究是十分值得关注的，而且这将是未来电子设备组装的安全可靠性需要着重考虑的关键因素，需要不断地进行深层次地研究，分析无铅微焊点的实际应用有利于更好地促进我国新型电子封装技术的发展。

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