微电子封装中Sn-Ag-Cu焊点剪切强度研究

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微电子封装中Sn-Ag-Cu焊点剪切强度研究

【来源:半导体技术】【作者:谷博，王珺，唐兴勇，俞宏坤，肖斐】【时间: 2006-7-10 9:39:37】【点击: 18】

1 引言 BGA封装技术在高I/O，表面贴装器件方面得到了广泛应用。BGA封装元器件的焊点常常由于热失配、器件装配外力等原因发生剪切破坏。良好的焊点剪切强度是器件高可靠性的重要保障。BGA 焊点剪切强度与焊球材料和焊盘金属有关。传统的铅锡焊料由于含有对人体及环境危害严重的铅，正逐步被无铅焊料所取代[1，2]。Sn-Ag-Cu即是目前常用的一类无铅焊料[2]。因回流焊工艺与材料的差异，无铅BGA焊点与铅锡BGA焊点的剪切强度不同。另一方面，焊点剪切强度与焊盘金属和焊球焊接界面金属间化合物（IMC）的厚度成反比。Ni-P基板上的Ni-P镀层可有效地阻挡Sn的扩散，减小IMC层的厚度，提高焊点剪切强度。IMC的厚度还与器件经历的热过程相关。通过一定温度下不同时效后，对焊点剪切强度的测试，可作为评价焊点可靠性的依据。从微观上看，焊接界面材料微观结构的变化直接影响焊点剪切强度的大小[3，4]，结合宏观剪切强度测试结果与材料微观结构变化的研究，对深入理解焊点可靠性有参考价值。 本文改进了焊点剪切实验方法，对Sn-3.5Ag-0.7Cu无铅焊料分别在Cu和Ni-P基板上的剪切强度进行了研究。并讨论了时效对Sn-3.5Ag-0.7Cu/Cu和Sn-3.5Ag-0.7Cu/Ni-P两种焊点剪切强度的影响。结合无铅焊料剪切强度的研究，利用扫描电镜（SEM）对不同基板上焊点断口的微观形貌进行了观察和分析，对焊接界面的微观形貌、结构与剪切强度之间的关系进行了研究。 2 剪切强度测试方法 2.1 两种测试方法 Hwa-Teng Lee[5]通过焊料将两段长15mm铜丝的两端头焊接在一起，通过特制的夹头固定铜丝，对焊点剪切强度进行测试，如图1(a)所示。Lee的方法 [5]中，由于试样的尺寸较小，铜丝对焊的质量对焊点剪切强度有较大的影响，另外，焊点的厚度也是影响剪切强度测试结果的主要因素。图1(b)是测试后焊点的变形照片。焊料的变形将导致测量结果偏离真实值，导致该法测量的剪切强度结果[5] 比本文实验结果以及其他文献[6]报道的数据偏大20～ 60MPa。Akio Hirose等人[6]提出了另外一种焊料剪切强度的测试方法，其试样是用焊料将两段直径分别为3 mm和10 mm的纯铜同轴圆柱焊接起来而得。固定直径大的铜柱，对另一铜柱施加剪切力至焊点断裂，由此得到焊点的剪切强度。由于该法使用样品的尺寸大于前一种方法，易于固定，且最大剪切力增大，降低了对力学传感器的精度要求，但焊料厚度仍是影响剪切强度测试精度的重要因素。数据方差变化为5～10MPa[6]。 2.2 本文的测试方法及样品制备 通过对以上两种剪切强度测试方法的比较，本文提出直接对焊料柱体进行焊点剪切强度测试的方法。测试样品及实验装置（图2，图3）可有效减小焊柱焊接端的变形，使焊点剪切强度的测量结果更为准确。样品尺寸的选择吸取了文献[6]的经验，对样品尺寸适当放大，使之有较大的焊接面积和较大的最大剪切力，以降低测试误差对测量结果的影响。图4是经剪切测试的样品，焊柱焊接端附近无明显的变形。实验证明，经该法得到的测量数据结果可靠，且数据收敛性好，方差仅有1.5～ 5MPa。 实验中采用的焊料合金是将高纯度的各焊料组分，按照既定的配比在高真空和高温条件下共融而成的。本实验中使用的铜基板为纯铜板以及在其表面化学镀而得的Ni-P基板，Ni-P层厚度为2μm。样品的制备过程中，通过将焊料溶化并浇铸于模具中，使之以圆柱形焊接于基板表面。随后，在150℃下对样品分别进行145，300，500和1000h的热时效。最后，用CMT6104拉力机测量焊点的剪切强度，每种条件下测量五个样品，以平均值作为测试结果。为考察界面处的IMC及断裂处的微观结构对焊点可靠性的影响，从已测样品中选取一部分，通过SEM对样品断口的微观结构进行观察，并用EDX确定了IMC的主要成分。 3 结果与讨论 3.1 剪切强度测试结果 图5是Sn-Ag-Cu焊料在Cu和Ni-P基板上的焊点剪切强度随时效时间而变化的曲线。在前145h的老化过程中，剪切强度下降很快，而时效300和 500h后，焊点剪切强度有小幅度的提升，之后，焊点剪切强度缓慢降至最低值。Ni-P基板上的焊点经过1000h热时效后剪切强度比Cu板上的焊点下降更大。其原因与经长时间热时效后焊料在Ni-P基板和Cu基板上剪切断裂的位置差异有关。 3.2 焊点断口结构的微区观察 3.2.1 Sn-Ag-Cu/Cu焊点的研究 图6显示了Sn-Ag-Cu焊料在Cu基板上的典型微结构，可看出界面处的IMC分为两层。经EDX分析，靠近Cu基底一层焊料为Cu3 Sn，厚度较薄，但随热时效会有明显的增长。紧密地覆盖于Cu 3Sn上的一层为Cu6Sn5，其表面形貌突兀不平，晶粒多呈不规则半球形，也有些文献描述其为扇贝形，厚度较大，随热时效增长较缓。 焊点剪切实验中，由多个测试样品断裂位置的统计看，Sn-Ag-Cu/Cu焊点经热时效后，焊点的断裂大部分发生在焊料中。图7为1000h热时效后的Sn-Ag-Cu/Cu焊点经剪切后的横截面SEM照片，图中IMC层之上有较厚的一层焊料残余。由于Sn- Ag-Cu焊料的不均匀性，裂纹在焊料中崎岖不平。 3.2.2 Sn-Ag-Cu/Ni焊点的研究 Sn-Ag-Cu焊料通常在与Ni-P基板的界面处都会形成Ni3Sn4两相或(Ni1- x,Cux)6Sn 5以及(Ni1-x,Cux )3Sn4三相金属化合物。由相图分析可知 [7]，在焊接完成时生成于界面的IMC为(Ni1- x,Cux)6 Sn5，其晶体结构与Cu6Sn 5相似[8]。 (Ni1-x,Cux) 3 Sn4形成较晚，只有当界面区域的焊料中Cu在热时效过程中被(Ni 1-x,Cux)6 Sn5所消耗，使其含量低于0.6%时候在界面处才会有(Ni 1-x,Cux)3 Sn4生成。本实验中，绝大部分样品都经过了热时效，故在焊接界面处的IMC为 (Ni1-x,Cux) 3Sn4。 据Sn，Cu，Ni三相IMC的生长过程，焊接后先生成的(Ni1-x,Cux )6Sn5居上，后生成的(Ni1- x Cux)3Sn4居下，如图8所示。 图9为Sn，Cu和Ni三相IMC的俯视图像，经腐蚀，位于IMC上层的(Ni1-x,Cu x)6Sn5先裸露出来（图9(a)）。该IMC化合物与前文所述的Sn和Cu 的IMC相比，其形貌不像Sn和Cu的IMC那样致密。此外，其晶粒形状也并非扇贝形，而是较短的多边棱柱或棱锥，并且表面突兀不平，各晶粒之间存在一定的间隙，表明由(Ni 1-x, Cux)6Sn5组成的 IMC排列并不紧密。图9（b）是(Ni1-x ,Cux)3 Sn4 IMC的俯视图像。由图中可见，(Ni1-x ,Cux)3Sn4晶粒的外观形貌为多面体，该层IMC紧贴焊接界面生长，其表面较为平整，各晶粒之间排列紧密，没有明显的间隙存在。 与Cu基板上的焊点相比，Ni基板上焊点的剪切断裂面更多地在IMC层中。原因是Ni基板焊点界面处上层的(Ni 1-x,Cux)6 Sn5IMC疏松和杂乱的排列使裂纹更易于产生。图10是Sn-Ag-Cu /NiP焊点在热时效300h后发生在IMC层中的断裂面剖面图。可看到有较厚的IMC层和部分焊料残余，断裂面较为平整。由多个实验样品分析并结合IMC厚度的数据可知，当IMC的厚度小于6μm时，Sn-Ag-Cu/NiP焊点的剪切断裂多发生于焊料中；当IMC的厚度大于6μm时，Sn-Ag-Cu/NiP焊点的剪切断裂则多发生在IMC与焊料的界面处。 4 结论 本文改进了焊料剪切强度的测试方法，并由该方法测量了不同时效后的Sn-Ag-Cu无铅焊料在Cu和Ni-P基板上焊点的剪切强度，利用SEM研究了断裂面微观结构，得出以下结论： ①本文采用的焊料剪切强度测试方法可降低测试误差，装置简单，易于操作； ②剪切强度测试结果表明，Sn-3.5Ag-0.7Cu/ Cu和Sn-3.5Ag-0.7Cu/Ni-P两种焊点经热时效后，剪切强度在前145h都有明显降低，随后趋于稳定； ③对焊点断口结构微结构的研究显示，Sn-Ag- Cu焊料在Cu基板界面处形成的IMC为Cu6Sn 5和Cu3Sn，在Ni-P基板界面处形成的金属间化合物为 (Ni1-x,Cux) 6Sn5和(Ni1-x,Cu x)3Sn4； ④实验结果分析显示，对于Sn-Ag-Cu/NiP焊点，当焊接界面处IMC厚度小于6μm时，该焊点的剪切断裂多发生于焊料中；当IMC的厚度大于 6μm时，该焊点的剪切断裂则多发生在IMC与焊料的界面处。