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1、引言
进入二十一世纪之前,大多数商用电子元器件的同流温度都设计在220℃左右,并以此温度作为产品验收的条件。然而,到了新世纪,由于需要使用无铅焊料,电子元器件的性能标准改变为260℃,比以前增加了40℃。在这种情况下,要使产品维持原有的性能,就对生产和封装人员提出了挑战,成本核算人员也会感到压力。电子封装无铅化的趋势是不可阻挡的,问题是如何在规定的时间内成功地实现封装向无铅化的转变,并且维持竞争的优势,而又不会导致成本大大增加。
对封装人员而言,第一个任务就是对目前所使用的材料(塑封电路、芯片粘接材料、管脚涂敷材料等)在260℃时的性能作出评估。有一点是肯定的,那就是无论何种类型的封装,在这个温度下都存在两个最重要的问题:一是金属间化合物(IMC)的生长加快,二是潮汽敏感等级(MSL)降低。
对塑封电路而言,目前已经认定,它的MSL会下降两个等级。对薄形和小外形封装(TQFPs)电路来说,它们的MSL下降会更大(MSL会下降到3级或4级)。MSL的降低给IMC的生长提供了机会,也缩短了基本寿命时间。为了保证产品的可靠性,在制造工艺的不同阶段就需要采取更多的控制手段,并需要对产品进行质量认证。
2、无铅
焊接对封装性能的影响
在无铅焊料中,SnAgCu焊料是通用的焊料之一。SnAgCu焊料中的银成分有助于阻止金溶解到
焊接点内,这一点很重要。这是南于在多层层压板和PCB中,金常用作阻挡层。太多的金与锡接触会引起有害的IMC的生成,导致
焊接点阻抗的偏移,键合强度降低,甚至形成龟裂。金或金IMC也能迁离阻挡界面,从而把下层金属暴露出来,为新的IMC的生长创造条件。
含有金的封装,诸如CSP和
bga,组件和NiPdAu电镀引线都具有较高的生成金IMC的危险。由于IMC可使阻抗值增加,从而使电路的电特性和
机械特性发生偏移,最终导致产品的性能和可靠性降低。在寻找根本原因时,一个没有经验的产品工程师或可靠性工程师可能会错误地将问题定位在IC芯片上,这将导致不必要的项目延期和成本增加。
在较低的温度(大约125℃)时,IMC开始生长;在稍微高些的温度(大约150℃)时,IMC生长加速。在老化(burn-in)、MSL烘烤、测试和SMT回流焊期间,封装会重复经受上述温度的考验。
在CSP/
bga封装中,焊料球是直接与金阻挡层接触的,它的性能特别容易受到IMC的影响。界面裂纹、焊球从封装上脱落下来、焊球剪切强度降低、器件性能参数和功能偏移等是常见的问题。正如图1和图2所示。
图1示出的是
bga焊球的
焊接剖面;图2示出的是在经过125℃、4小时,接着150℃、4小时加热处理后焊球界面产生的裂缝。回流时,还会经受更高的温度,甚至会产生开路问题。
目前大多数无铅材料(塑封电路、芯片连接材料、PCB等),并不是为承受260℃的温度而设计的,而所用替代材料又不能保证电路原来的MSL,所以器件的MSL下降l至2级非常普遍。这就意味着对产品存储期限带来了影响,如表1。
在设计封装时,IMC的生成和MSL的降低是必须考虑的两件事。它们中任何一个都会对硅芯片的优势、成品率的改进和成本的节约产生负面影响。另外,不管设计是否能够保证产品的短期、中期和长期的性能规范,负责可靠性的人员都必须对产品进行正确的认证试验,以揭示风险并得出结论。
3、认证讨论
无铅是企业的必由之路。但在产品中使用无铅材料之前,需要对这些材料进行认证。在对材料进行认证试验时,必须选择正确的认证试验方法,并对试验结果作出正确判定。在进行认证试验时,需要对无铅材料(塑封电路、芯片粘接材料、层压板等)进行并行研究,同时对金属与金属的相互作用进行深入研究。温度循环(TC)和热冲击(TS)试验是重要的认证试验方法。
对于传统的锡铅焊料的认证试验,长期以来积累了数十年的试验数据和操作经验,可靠性管理人员就可以省去TC试验,而使用TS试验来代替TS和TC试验,这样可以节省数周的项目周期时间。试验周期就可缩短至较短的TS试验时间。然而,当使用无铅材料时就不能不考虑TC试验,因为TC试验是评价焊料连接长期可靠性和IMC生长率的一个必要手段。图3所示是在125℃下经历24小时后的
bga界面。
图4解释了焊球尺寸从0.3 mm变为0.6 mm(误差为±0.05mm)时是如何导致接触面积变化七倍、焊球的剪切强度变化和空洞接收条件等变化的。上述的焊球尺寸变化也导致了焊球体积和质量上18倍的变化,以及影响IMC生成、剪切强度、空洞容许量等的变化。仔细研究锡铜合金相图可以看到,金仅仅有4%(对于锡)的差异就会导致有害的的Ausn4金属间化合物的生成。电镀工艺变化,金属层的误差容限变差,甚至焊球直径的一个小的改变,都会很容易地带来长期可靠性方面的问题及经济上的风险。因此,在封装认证过程中,必须对相关的材料和工艺进行全面的认证。
4、结论
在产品鉴定和研发方面,对于新的无铅材料的相互作用的了解将起到重要的作用。在从有铅到无铅的转变阶段,半导体工业将持续开发新的封装设计(改进老的设计),我们必须了解锡铅和无铅材料的相互作用,这将有利于准时交货、支持工序改善和成品率提高技术的完成。
当正式向无铅材料转换时,还要考虑-些其它变量。如考虑到无铅材料对产品中、长期可靠性的影响,认证时应该模拟实际的条件,如重复烘烤、老化、多次回流等,以了解这些条件对MSL变化和IMC生长的影响。 无铅材料跟锡铅焊料一样被完全认知的时代即将来临。到那时,拥有经验丰富的材料工程师的企业在竞争优势、客户满意度和经济消耗上将会有明显的优势。