焊料接头：可靠性与科学问题分析

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：焊料接头随处可见。例如，2006年7月1日，欧盟颁布法令，禁止在消费类电子产品中使用含铅焊料。本书力求理解焊料接头可靠性问题的基本理论，特别是重点介绍了焊料反应和电迁移的科学问题。以锡铅共晶焊料的熔点456 K为例，室温和100℃分别接近它熔点的0.66和0.82。为了形成良好的焊料接头，熔化的焊料和固体铜之间的润湿反应依赖于化学助焊剂。

焊料广泛用于现代建筑中的铜制管道连接和电子产品中的铜导线连接。焊料接头随处可见。在焊接过程中，金属铜与金属锡之间发生化学反应从而生成具有强金属键的金属间化合物是其最为重要的过程。除了铁-碳二元体系，铜-锡二元体系可能是对人类文明影响最为深远二元冶金学体系，这可以从青铜（Cu-Sn合金）器时代的发展得到印证。

典型的锡铅焊料合金用来连接铜制部件，然而，由于铅的毒性对环境的污染，管道焊接已经实现了无铅化，且无铅焊料也逐渐被应用于电子电气产品中。例如，2006年7月1日，欧盟颁布法令，禁止在消费类电子产品中使用含铅焊料。对于大规模在电子产品中使用无铅焊料来说，其可靠性仍然是一个值得考虑的问题。

长期以来，在电子封装产业中，焊料连接技术的可靠性一直是一个备受关注的问题，如，倒装芯片中由硅片和基板之间的循环热应力而引发的锡铅焊料的低周疲劳问题。一方面，由于创新性地采用了环氧树脂填充芯片和基板的间隙，目前，因疲劳引起的失效风险大大降低。另一方面，用无铅焊料替代锡铅焊料又引发了新的焊料可靠性问题，其主要原因是无铅焊料中锡的含量非常高。此外，由于便携电子产品的性能要求越来越高，焊料中的电迁移现象成了一个严重威胁可靠性的问题，这是因为功率型电子器件的焊料接头需要承载的电流密度更高。

本书力求理解焊料接头可靠性问题的基本理论，特别是重点介绍了焊料反应和电迁移的科学问题。本章简要介绍焊接技术和相关的可靠性问题。其余章节将分为两部分，第一部分介绍铜锡之间的反应问题；第二部分介绍倒装芯片中焊点接头电迁移、热迁移及相关的可靠性问题。

焊料接头为具有两个连接界面的独特结构，接头的失效倾向于在这两个界面处发生。虽然金属间化合物的生成对于界面处金属之间的键合是必须的，但界面金属间化合物也会严重影响焊料接头的性能和可靠性。同样地，焊料接头的电迁移失效通常也是发生在阴极界面处。

焊料合金优先采用共晶成分，这不仅是因为共晶合金的熔点要低于组成此合金的两种纯金属的熔点，更重要的是共晶成分的合金拥有单一的熔点。这样一来，当温度达到共晶温度时，整个焊接接头会瞬间熔化，使两个界面同时与其接触的基板金属发生互连。当数以千计的焊球在硅芯片上作为输入/输出互连接头时，它们必须同时熔化并同时连接，从而使芯片和基板之间的焊接接头可以在一个简单的加热或回流过程中同时形成。当芯片上大规模集成电路与封装基板上的电路互连时，倒装芯片技术（在本章和第4章中将详细介绍）具有显著的优势，即大量的焊料接头或电路引脚可以在成型气氛下的低温加热工艺中同时完成。由于很多焊接引脚接头可以分布在芯片的中心区域来防止芯片边缘引脚上的电压产生电压降，因此也可以节约能源。倒装芯片技术需要所有的焊接接头在同一温度下熔化和凝固，所以共晶合金更适宜作为倒装焊料使用。

锡铅共晶合金的熔点为183℃（456 K）。锡铅合金在这样低的温度下就能与铜形成金属连接，这是锡铅焊料接头长期在世界范围内广泛使用的最为重要的原因。另外，焊料接头应用的典型温度接近室温或者是电子器件工作温度（100℃），它们是焊料合金高温应用的温度。以锡铅共晶焊料的熔点456 K为例，室温和100℃分别接近它熔点的0.66和0.82。在这样高的温度之下，如原子扩散的热激活过程不能被忽略。焊料接头的力学性能、在低应变速率下焊料接头力学性能的测试、低周疲劳引起的可靠性问题都应该考虑热激活过程的影响，如蠕变和回复再结晶。

为了形成良好的焊料接头，熔化的焊料和固体铜之间的润湿反应依赖于化学助焊剂。合适且性能优良的化学助焊剂是必不可少的，因此在焊料接头的制造过程中，助焊剂是最重要的因素，它能去除铜和焊料表面的氧化物，使熔融的焊料可以与洁净的铜表面发生润湿。

典型的焊料反应主要涉及三个化学元素，即焊料中的锡、铅和导线中的铜。存在两种焊料反应：焊料合金的液态反应以及焊料合金的固态反应。在润湿反应中，焊料处于液态，而铜导线处于固态。在电子封装制造过程中，润湿反应通常被称为“回流”。在一次回流过程中，焊料接头会经历一个温度循环，其中，某段温度必须高于焊料的熔点，并保持大约0.5 min。由于电子产品的制造过程必须经历多次回流，因此形成电子器件的一个焊料接头的回流总共需要几分钟的时间。另外，为了满足电子器件可靠性要求，焊料接头还必须在150℃温度条件下时效处理1 000 h。在时效测试中，虽然焊料和铜导线均处于固态，但它们之间也会发生化学反应。对需要在汽车发动机盖内的高温环境下工作的焊料接头来说，固态时效测试具有特殊的意义。焊料和铜之间的固态反应也会在室温下发生，这将在第3章和第6章介绍。

当共晶合金处于固态时，其温度低于合金的共晶温度。恒温状态下，共晶合金有特殊的热力学性质，其化学势始终是恒定的，不随成分变化而改变。固态共晶合金的微观结构是先析出相的两相混合结构，而且这两相是相互平衡、相互独立的。所以，在这两相微观结构中，不需要化学势的变化，相的分离也能发生。结果，受到外力作用时，如在电迁移或热迁移时，在共晶焊料中很容易发生相分离，同时形成十分独特的微观结构，这些内容将在第9章和第12章介绍。

锡铅共晶合金中，铅与铜不发生反应，不会形成金属间化合物。铅铜二元体系是不互溶的，因此焊料反应仅发生在锡和铜之间，而合金化元素铅的目的是降低焊料锡的熔点、软化焊料合金增加其延展性以及使焊料接头表面更光滑。此外，众所周知，锡铅共晶合金不会有锡晶须的成长。由于铅带来的环境问题，美国国会出台了四项反铅条例，其中一项由环境保护部门出台。2006年7月1日，欧盟WEEE（电子电器设备废弃物）颁布了一项指令来呼吁全面抵制含铅焊料在电子产品中的使用。目前，还没有发现能替代铅并且具有与铅一样作用的化学元素。最有前景的、能替代锡铅共晶焊料的无铅焊料是锡银铜共晶焊料、锡银共晶焊料以及锡铜共晶焊料。这些锡基焊料中锡的含量都非常高，例如，锡铜共晶焊料中含有质量分数为99.3%的锡，锡银铜共晶焊料中含有质量分数为95%~96%的锡。因此，本质上这些无铅焊料与铜之间的反应就是锡-铜之间的反应。

接下来，将会简要介绍到电子产品生产中涉及的主要焊料连接技术。这些技术包括表面贴装技术、针通孔插装技术以及倒装芯片技术[1-2]。为了揭示与可靠性相关的问题，在下面章节将清晰地展示微电子器件中为什么会使用以及在何处使用锡基焊料。接着，也将简要提出这些技术带来的可靠性问题，包括锡须生长、界面金属间化合物的剥落、低周疲劳，以及倒装芯片互连接头上的电迁移和热迁移。最后，将讨论微电子封装的未来趋势以及焊料接头在未来发展中的作用。由于电子器件和封装技术小型化的趋势，在不远的将来，对可靠性问题的持续研究是非常必要的。目前已有诸多学术著作研究了热应力引发的疲劳现象和蠕变现象，因此，对这两类现象本书不再赘述。铜和锡之间的反应、电迁移与热迁移问题是影响焊料接头可靠性的两个重要因素，本书会着重介绍。

焊料接头：可靠性与科学问题分析

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