空洞对焊点热机械可靠性的影响

作者:印度Alpha Assembly Solutions公司:Morgana Ribas,Siuli Sarkar

美国Alpha Assembly Solutions公司:Carl Bilgrien,Tom Hunsinger

引言

自2000年初推出近共晶无铅合金以来,人们关注并担心的是,与共晶锡铅焊料相比,在回流焊过程中空洞数量有所增加。关于这一问题已经有许多研究,包括多个行业协会和标准开发部门都在致力于解决这个问题。其中,有些人认为空洞将起到应力集中的作用,降低焊点的疲劳寿命,而另一些人则认为,恰恰相反,空洞可以起到应力消除的作用,降低裂纹扩展的速度。电子元器件在热循环过程中由于焊点的热应力而发生故障。取决于这些焊点的机械可靠性,这些热应力会以某种方式降低焊点的疲劳寿命。

在开始进一步讨论空洞之前,区分不同类型的空洞是很重要的。有些空洞是由于在印制电路板(PCB)设计中选择使用的焊料合金或材料造成的,有些空洞则是在表面贴装(SMT)过程中固有产生的。然而,如果不进一步研究断裂力学理论如何支持(或不支持)空洞作为裂纹萌生和扩展的应力点,那么任何讨论都是不完整的。因此,我们首先回顾相关文献,并对这两个主题进行更详细的讨论。

试图了解空洞对BGA/CSP焊点疲劳寿命影响的早期研究结论是,空洞与较低的热循环性能之间存在某种关系[4]。而在另一项基于有限元分析的早期研究中,计算了含有不同位置不同尺寸空洞焊点的等效塑性应变和剪切应变[5]。得出结论,空洞的存在并不总是对焊点的热疲劳产生负面影响。随后,其他几项实验和理论研究也提出了类似的建议,即热疲劳基本上不受焊点空洞量的影响。在讨论空洞与焊点热可靠性和机械可靠性之间的关系时,本文也对其中一些研究进行了综述。

电子元件在热循环过程中发生失效是由于焊点的热应力造成的。这些热应力可降低焊点的疲劳寿命,取决于这些焊点的机械可靠性。因此,我们将单个焊点的热循环或跌落冲击性能与其各自的横截面外观进行比较。我们给出了我们在Sn-Ag-Cu无铅合金工作中获得的各种实例,其中空洞符合IPC-A-610标准(修订版D或F),反映了实际的加工条件,并与文献中的结果进行了比较。最后,我们讨论了如何从断裂力学理论的角度来看待我们的实验数据。

空洞与裂纹

在文献中对各种类型的空洞已有很好的描述,例如这里引用的参考文献[6-9]。基本上,空洞可分为六类:

i)宏观空洞(Macro Voids):非常常见的空洞类型,主要是由回流焊过程中焊膏焊剂的挥发物蒸发而引起的。也称为工艺空洞。

ii)金属间化合物(IMC)微空洞或Kirkendall空洞(Intermetallics (IMC) Micro Voids or Kirkendall Voids):位于金属间化合物层和铜基板之间。由铜和锡的扩散速率不同而引起的。

iii)收缩空洞(Shrinkage Voids):无铅合金独有的空洞,是由凝固枝晶间共晶焊料的收缩应力引起的。

iv)平面微空洞(Planar Micro Voids):也称为“香槟”空洞,通常小于25 μm。在表面涂饰镀层的各个步骤中均可能发生。

v)微过孔空洞(Micro-via Voids):这不是无铅合金所独有的。由微过孔引起的空洞。

vi)针孔空洞(Pinhole voids):由镀铜不当引起。位于印制电路板上,直径一般为1~3 μm。

图1给出了由Aspandiar[6]总结描述的全面的空洞类型。

前三类空洞(宏观空洞、金属间化合物(IMC)微空洞和收缩空洞)是由焊膏和合金特性引起的空洞,而后三类空洞(平面微空洞、微过孔空洞和针孔空洞)是由于PCB或其设计所使用的材料而引起的空洞。

宏观空洞、金属间化合物(IMC)微空洞和收缩空洞可通过调整工艺参数、合金成分和焊膏配方最大限度地减少。宏观空洞,也称为工艺空洞,是SMT加工中最常见的空洞类型,可通过调整回流焊参数(如峰值温度、高于液相线温度时间(TAL)和预热时间)来最小化。收缩空洞和金属间化合物(IMC)微空洞可通过更快的冷却速度和优化合金成分(去除污染物)以及使用合金添加剂分别来最小化。

了解空洞对焊点的影响是非常重要的。众所周知,空洞会导致芯片和散热片之间的传热不良,在最坏的情况下,会因热应力而导致失效。这些风险通常通过设计调整来弥补。然而,空洞对焊点疲劳寿命的影响仍在争论中。在更详细地讨论这种影响之前,让我们简单地回顾一下裂纹形成和扩展的机理,以及它们如何受到焊点中空洞的影响。

当合金受到机械应力时,它首先在弹性区域内变形(直至屈服强度),然后在塑性区域内变形。弹性变形可以恢复,而塑性变形是永久性的。在微观层面上,塑性变形是位错运动(主要)或孪晶作用的结果。焊点疲劳失效是由于合金塑性变形区域内的循环应力引起的,但低于其极限抗拉强度。疲劳失效包括裂纹萌生、裂纹扩展和突然快速失效。

裂纹萌生和扩展的原因各不相同,其机理也不同。裂纹大多起源于表面的应力集中点(如尖角、微裂纹、划痕、缺口)。材料的循环应变导致持续的滑移带(位错的移动和积累),由于不可逆的剪切位移导致表面粗糙化。这种粗化表现为侵入和挤压,最终放大了引发裂纹的局部应力。韧性材料的另一种裂纹萌生是在大变形条件下,微裂纹或微空洞的形成、增长和聚结。然而,后一种机制并不适用于焊点热循环过程中循环膨胀和收缩所产生的热应力,在这种情况下焊点的变形要小得多。

一般来说,强度较高的材料在抗裂性方面表现较好,但裂纹扩展将取决于裂纹尖端前的塑性区(阶段I)。因此,裂纹的扩展取决于合金的微观结构。在弹性变形过程中,能量储存在材料中,在裂纹扩展过程中释放出来,因为产生新的表面需要能量。根据Griffith准则,当释放的弹性能量至少等于形成新裂纹表面所需的能量时,就会发生裂纹扩展。在延性材料中,近端塑性使裂纹“变钝”,使其更难扩展。Irwin和Orowan修正了Griffith准则,即裂纹扩展的临界应力的能量至少等于形成新裂纹表面的表面能和塑性变形能之和。阶段二对应于稳定的裂纹扩展,其中微观结构对裂纹扩展的影响较小。促进裂纹扩展和闭合的相互竞争机制仍在争论中,但大多数人认为,裂纹路径的微小变化、析出物的截留、粗糙度或塑性诱导都可能导致裂纹闭合,从而阻止裂纹的扩展。

焊料合金/焊膏的选择与空洞

从以上对断裂力学的简要概述可以看出,在理想情况下,焊点中空洞的存在不会直接影响热应力引起的裂纹的萌生和扩展。然而,在不理想的条件下,可能存在导致裂纹萌生和扩展的其他因素。其中一些空洞与焊膏和/或合金有关,因此可以通过调整这些材料的组成来减少或消除。在目前的工作中,我们将仅限于讨论这三种类型的空洞:(1)宏观空洞,(2)收缩空洞和(3)金属间化合物(IMC)微空洞,如图2(a)所示。实际上,宏观空洞和裂纹萌生/扩展之间的关系(如果有的话)特别重要,因为大多数空洞测量和分析都涉及它们。图2(b)给出,宏观空洞可以位于靠近IMC的位置,或者在封装或衬底侧,或者远离焊料/衬底界面。裂纹可以在不与宏观空洞相互作用或不相交的情况下在整个焊点上扩展。在这种情况下,在其与宏观空洞的交叉点,裂缝可能继续或停止增长。

收缩空洞是熔融焊料凝固过程中收缩而形成的。冷却共晶Sn-3.5Ag- 0.9Cu,导致α、α+β和α+β+γ相相继凝固,即(Sn)、(Sn)+Ag3Sn和(Sn)+Ag3Sn+Cu6Sn5分别相继凝固。同样地,在其他近共晶Sn-Ag-Cu合金中(如SAC305),在完全凝固后,所有这三相也同时存在,但富锡枝晶的收缩会导致细长的空洞,如图3中的实例所示。收缩空洞大多位于靠近表面和焊点本体的位置,远离金属间化合物区域。尽管这种空洞与裂纹相似,但对焊点可靠性几乎没有或根本没有影响,可以通过调整回流焊温度曲线为更快的冷却速度来最小化。

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