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【深度】电子元器件电极表面状态对互连焊接可靠性的影响

一、从可靠性的角度出发

现代各类电子元器件引脚(电极)所用基体金属材料及其特性,以及在基体金属上所可能采取的各种抗腐蚀性及可焊性保护涂层材料的焊接性能,涂层在储存过程中发生的物理、化学反应,涂层的成分、致密性、光亮度、杂质含量等对焊接可靠性的影响,从而优选出抗氧化能力、可焊性、防腐蚀性最好的涂层,以及获得该涂层的最佳工艺条件,是确保焊接互连可靠性的重要因素之一。在现代电子产品中已普遍实现IC、LSI、VLSI化,对其所使用的电极材料越来越重视。例如,材料的电阻率、热膨胀系数、高温下的机械强度、材质和形状等都必须要细致地考虑。对现代电子工业用的引脚(电极)材料的基本要求是:●导电性和导热性要好;●热膨胀系数要小;●机械强度要大;●拉伸和冲裁等加工性能要好。目前普遍使用的引脚材料可分为Fe-Ni基合金和Cu基合金两大类。

二、电子元器件引脚用材料对焊接可靠性的影响

1.Fe-Ni基合金

1)特征及应用范围Fe-Ni基合金系中的科瓦合金等品牌,当初是作为玻璃封装用的合金而开发的。其热膨胀曲线与IC芯片的Si是近似的,如图1所示。而且还可将其作为Au-Si系焊接的焊材进行直接焊接。因此,在MOS系列器件中普遍采用它作为引脚材料。Fe-Ni基合金系的代表性合金是42合金,由于它机械强度大,热膨胀系数小,故广泛用做陶瓷封装芯片的电极材料。

电子元器件电极表面状态对互连焊接可靠性的影响

图1

2)常用品牌成分及其特性主要Fe-Ni基合金的特性如表1所示。

表1

电子元器件电极表面状态对互连焊接可靠性的影响

由于本合金系存在着磁性及电阻率大的特点,故作为引脚材料是其不足之处。因此它专用于功率消耗比较小,产生热量比较少的MOS类IC器件。

2.铜基合金

当电子电路进入到大集成化、高密度组装化阶段,发生在其引脚上的电阻热已成为不可忽视的问题。因此,广泛采用导热性、导电性好及在高温下机械性能也好的新的Cu基合金替代Fe-Ni基合金,来满足元器件引脚材料的发展要求,已成为电子元器件业界所关注的问题。由于Cu基合金系导电性和导热性均好,散热性也不错,而且与42合金相比价格上也有优势,故广泛应用于塑料封装芯片中。

3.Cu包不锈钢引脚材料

为了能同时满足机械强度和散热性的目的,在日本正在开发以不锈钢(SUS430系)作为芯材,再在其两面按10/80/10的比例镀无氧铜的金属包层的新的引线框材料。

三、引脚的可焊性涂层对焊接可靠性的影响

1.可焊性表示金属及其金属涂层表面对软钎料的润湿能力。这种能力通常都是在规定的助焊剂和温度的条件下,测定熔融焊料在其上的实际润湿面积和润湿的最小时间来评估其优劣的。

2.可焊性状态分类软钎料在金属及其金属涂层上的润湿状况可分成下述3种类型。(1)润湿(Wetting):钎料在基体金属表面能形成一层均匀、光滑、完整的钎料薄层,如图2所示。

电子元器件电极表面状态对互连焊接可靠性的影响

图2

(2)弱润湿(Dewetting):钎料在基体金属表面覆盖了一层薄钎料,留下一些由钎料构成的不规则的小颗粒或小瘤,但未暴露基体金属。也有人将其称为“半润湿”,如图3所示。

电子元器件电极表面状态对互连焊接可靠性的影响

图3

(3)不润湿(Non-wetting):钎料在基体金属表面仅留下一些分离的、不规则的条状或粒状的钎料,它们被一些小面积薄层钎料和部分暴露的基体金属面积所包围,如图4所示。

电子元器件电极表面状态对互连焊接可靠性的影响

图4

3.可焊性涂层的分类焊接过程是熔化的软钎料和被焊的基体金属结晶组织之间通过合金反应,将金属和金属结合在一起的过程。许多单金属或合金都可以和SnPb、SnAgCu等钎料发生冶金反应而生成IMC,从理论上讲,它们均可以作为可焊性镀层。按焊接时的熔化状态的不同,又可将其分成3类:(1)可熔镀层:焊接温度下镀层金属熔化,如Sn、Sn-Pb合金镀层等。(2)可溶镀层:焊接温度下镀层金属不熔化,但其可溶于焊料合金中,如Au、Ag、Cu、Pd等,如图5所示。

电子元器件电极表面状态对互连焊接可靠性的影响

图5

(3)不熔也不溶镀层:焊接温度下镀层金属既不熔化,也不溶于焊料中,如Ni、Fe、Sn-Ni等。

4.可焊性镀层的可焊性评估1)影响镀层可焊性的因素影响可焊性镀层可焊性的因素有:镀层本身的性质、厚度、施镀方法、表面涂敷、存放时间和环境、焊接工艺条件(焊料和助焊剂、焊接参数和工艺方法)等。归纳起来如下。(1)基体金属镀层表面被氧化。●引线涂敷后未能彻底清洗,表面可能有氯离子、硫化物等酸性残留物。这些残留物质与空气中的氧和潮气接触后就会使镀层表面氧化。Sn或Pb的氧化物熔点非常高,如PbO熔点为888℃;PbS熔点为1 114℃,SnO2熔点为1127℃。Sn、Pb等的氧化物在正常焊接温度下不能熔解,形成有害的物质覆盖在镀层的表面上,从而导致引线可焊性劣化。●即使表面清洗干净的引线如果储存条件不良,长时间置放在潮湿空气中或含有酸、碱等物质的有害气体中,引线表面镀层金属也会发生氧化,使引线表面出现白点或发黄、发黑。(2)引线基体金属表面处理不良。引线涂敷前某些金属表面有金属氧化物或油脂等时,这些物质会使金属镀层与基体金属结合力下降,造成虚焊和脱焊。(3)引线镀层不良。镀层太薄或镀层不连续或疏松、有针孔,会影响引线的储存性能,使可焊性劣化。在Cu表面镀Sn、SnPb合金,能防止Cu氧化。但由于镀层疏松有针孔,使基体Cu表面与空气之间产生了通道,从而导致下述后果:●大气中的氧和潮气通过镀层中的针孔与基体金属表面接触,使基体金属氧化和腐蚀。●由于Sn、Pb的标准电极电位都比Cu负,是阴极性镀层,当潮气通过镀层中的针孔与基体金属表面接触时便形成一个微电池,镀层金属Sn或SnPb合金将被腐蚀。2)金属扩散层的影响在电镀中镀层Sn和SnPb合金与基体金属Cu表面是原子结合,而热浸涂层Sn和基体金属Cu之间存在Cu6Sn5化合物。这种化合物能使镀层Sn黏附在基体金属上,但随着时间增长,基体金属Cu和镀层金属Sn之间继续扩散,合金层生长过厚就有可能生长出极薄的Cu3Sn化合物,这将降低可焊性,影响焊接强度。

5.引脚可焊性镀层对焊接可靠性的影响1)Au镀层(1)镀层特点。该镀层有很好的装饰性、耐蚀性和较低的接触电阻,镀层可焊性优良,极易溶于钎料中。其耐蚀性和可焊性取决于有否足够的镀层厚度及无孔隙性。薄镀层的多孔隙性,易发生铜的扩散,带来氧化问题而导致可焊性变差。而过厚的镀层又会造成因Au的脆性而带来不牢固的焊接头。许多公司将ENIG Ni/Au用做表面涂层,并获得了成功。然而,在将ENIG Ni/Au涂层与BGA结合起来使用时,有时其结果是不可预见的。最近几年出现两种失效模式:●第一种失效模式是不润湿或半润湿,这种现象被称为“黑色焊盘”;●第二种失效模式是与机械应力相关的层间开裂。(2)镀层厚度。焊接用镀金层是24k纯金,具有柱状结构,有极好的导电性和可焊性。其厚度:1级:0.025~0.05μm;2级:0.05~0.075μm;3级:0.127~0.254μm。2)Ag镀层(1)镀层特点。Ag在常温下具有最好的导热性、导电性和焊接性,除硝酸外,在其他酸中是稳定的。Ag具有很好的抛光性,有极强的反光能力,高频损耗小,表面传导能力高。然而,Ag对S的亲和力极高,大气中微量的S(H2S、SO2或其他硫化物)都会使其变色,生成Ag2S、Ag2O而丧失可焊性。Ag的另一个不足是Ag离子很容易在潮湿环境中沿着绝缘材料表面及体积方向迁移,使材料的绝缘性能劣化甚至短路。(2)化学镀Ag。化学镀Ag层既可以焊接,又可“绑定”(压焊),因而普遍受到重视。化学镀Ag层本质上也是浸Ag。Cu的标准电极电位为φ oCu+/Cu=0.51V,而Ag的标准电极电位为φ oAg+/Ag=0.799V,因而Cu可以置换溶液中的Ag离子而在Cu表面生成沉积的Ag层。3)Ni镀层(1)镀层特点。Ni有很好的耐蚀性,在空气中容易钝化,形成一层致密的氧化膜,因而它本身的焊接性能很差。但也正是这层氧化膜使它具有较高的耐蚀性,能耐强碱,与盐酸和硫酸作用缓慢,仅易溶于硝酸。焊接件镀Ni主要是防止底层金属Cu向表层Au层扩散。实际上它是充当一层阻挡层,故要求镀Ni层的应力要低,并且与Cu和Au层之间结合力要好。(2)镀层厚度。Ni镀层分下述两种。●半光亮Ni:又称低应力Ni或哑Ni,低应力Ni宜于焊接或压接,通常作为板面镀金的底层;●光亮Ni:做插头镀金的底层,根据需要也可作为面层,光亮Ni层均匀、细致、光亮,但不可焊。镀Ni层应具有均匀致密、孔隙率低、延展性好的特点,用于焊接和压接时适宜采用低应力Ni。镀层厚度(IPC-6012规定):不低于:2~2.5μm。打底:1级 2.0μm;2级 2.5~5.0μm;3级 ≥5.0μm。4)Sn镀层Sn不仅怕冷,而且怕热。在温度低于13.2℃时发生相变,由β相(白锡)演变为α相(灰锡),即发生锡瘟现象。而在161℃以上时,白锡又转变成具有斜方晶系结构的斜方锡。斜方锡很脆,一敲就碎,展性很差,叫做“脆锡”。白锡、灰锡、脆锡是锡的3种同素异性体。(1)镀层特点。镀Sn在钢铁上属于阴极镀层,只有其镀层无孔隙时,才能有效地保护钢铁免受腐蚀。不同的工艺方法获得的镀层,其焊接性能也是不同的,如表2所示。

表2

电子元器件电极表面状态对互连焊接可靠性的影响

镀暗Sn层外观呈无光泽的灰白色,其焊接性能比光亮镀Sn层好,但它不能抵抗手汗渍的污染。镀暗Sn层经热熔后,其可焊性最好,抗手汗渍污染能力也大为提高。光亮镀Sn层焊接性能好,且在工序传递及储存过程中有很好的抗手汗渍和其他污染的能力。但由于有机添加剂的存在,在加热时会放出气体,造成焊缝中出现气泡、裂口等缺陷,影响焊点的可靠性。(2)镀层厚度。Sn容易与Cu生成金属间化合物,这种金属间化合物可焊性不良。但一定量的金属间化合物是润湿的标志。故Sn镀层中应该有一部分用于金属间化合物的生成,而镀层的表面为氧化膜所占用,剩余部分才可用于改善可焊性。因此,通常镀Sn层厚度为8~10μm。5)Cu镀层Cu是一种优良的可焊性镀层,只要它的表面是新鲜的,或者采取了有效的保护而没有氧化或腐蚀。细晶粒的镀层比粗晶粒镀层具有更好的可焊性。6)Pd镀层化学浸Pd(钯)是元器件引脚的理想Cu-Ni保护层,它既可焊接又可“绑定”(压焊)。可直接镀在Cu上,因Pd有自催化能力,镀层可以增厚,其厚度可达0.08~0.2μm。它也可镀在化学Ni层上。Pd层耐热性高、稳定,能经受多次热冲击。由于Pd价格高于Au,故在一定程度上限制了它的应用。随着IC集成度的提高和组装技术的进步,化学镀Pd在芯片级组装(CSP)上将发挥更有效的作用。

7)SnPb镀层●SnPb合金镀层在PCB生产中可作为碱性保护层,对镀层要求是均匀、致密、半光亮。●SnPb合金熔点比Sn、Pb均低,且孔隙率和可焊性均好。只要含Pb量达到2%~3%就可以消除Sn“晶须”问题。●在PCB上电镀SnPb合金必须有足够的厚度,才能为其提供足够的保护和良好的可焊性。MIL-STD-27513规定,SnPb合金最小厚度为7.5μm。此规定由美国宇航局提出,并得到美国空间工业的公认。英国锡研究所提供的报告中也指出SnPb合金镀层的最薄厚度为7.5μm。●普通SnPb合金镀层结构是薄片状的,有颗粒状暗色外观,镀层多针孔。这种镀层在加工过程中易变色而影响可焊性。经过热熔(红外热熔或热油(甘油)热熔)后,即可得到光亮致密的涂层,提高了抗腐蚀性,延长了寿命。热熔还可使SnPb合金镀层中的有机夹杂物受热逸出,可减少波峰焊接时气泡的产生。●热熔时,Cu、Sn间会生成一层薄的金属间化合物,这是润湿所必需的,但其量必须合适,才能确保良好的润湿性,如果量大反而有害。温度越高,时间越长,越有利于金属间化合物的生长,耗Sn就越多,这样就可能造成靠近金属间化合物的钎料层附近出现富铅相,导致半润湿。8)SnZn镀层Sn、Zn都广泛用于钢铁的防腐蚀上,但它们的防腐蚀机理不一样。Sn是比钢铁更贵的金属,故它是一种阴极镀层,钢铁只有通过Sn镀层的孔隙才能形成腐蚀微电池,故锈蚀出现在孔隙处。Zn是比钢铁更贱的金属,它是通过自身的阳极腐蚀来保护钢铁的。SnZn合金镀层兼备了Sn、Zn两金属的优点,而弥补了它们的缺点。该合金镀层不仅具有很高的耐腐蚀性(75%Sn/25%Zn),可焊性很好(10%Sn/90%Zn),而且不会形成“晶须”。镀层为银白色,具有镜面光泽,成本低,在电子产品中可用于代替Ag镀层。9)镀SnCe合金镀锡层有生长晶须的危险,其倾向随Sn浓度的提高、内应力的增加而增加。Sn还有结构变异,低温产生锡瘟。Sn与Cu有互相渗透生成Cu6Sn5合金扩散层的倾向,过厚的合金层熔点高而脆,影响可焊性。SnCe合金所得到的镀层亮度高,抗蚀,改善可焊性,能细化晶粒,改善镀层。然而在镀层中还几乎测不到Ce。这种镀层能防止基体Cu与Sn的相互扩散,镀层化学稳定性好,抗氧化能力强,可焊性稳定。10)其他无氟、无Pb的Sn基合金无Pb合金的可焊性镀层已投入生产的有Sn/Cu(Cu0.3%),用于电子引线电镀可获得光亮和半光亮镀层。几种无Pb镀层的性能比较如表3所示。

表3

电子元器件电极表面状态对互连焊接可靠性的影响


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