摘要：隨著2006年7月1日ROHS法令實(shí)施的最后期限的來(lái)臨，無(wú)鉛焊料的研究與應(yīng)用又掀起了新一輪的熱潮。由于封裝材料與封裝工藝的改變，給焊點(diǎn)可靠性帶來(lái)了一系列相關(guān)問(wèn)題。就近年來(lái)國(guó)內(nèi)外開發(fā)的無(wú)鉛焊料，焊點(diǎn)的失效模式，焊點(diǎn)可靠性評(píng)價(jià)方法和焊點(diǎn)的主要缺陷進(jìn)行了綜述。對(duì)今后該領(lǐng)域的研究前景及方向進(jìn)行了展望。

隨著社會(huì)的進(jìn)步，保護(hù)環(huán)境，減少污染，已越來(lái)越受到人們的關(guān)注。由于鉛對(duì)環(huán)境和人體的負(fù)作用，世界各國(guó)如歐盟、美國(guó)和日本等紛紛立法禁止或限制鉛的工作應(yīng)用。隨著2006年7月1日歐盟將正式對(duì)電子產(chǎn)品實(shí)施RoHS（Restriction of Hazardous Substances）法令，無(wú)鉛計(jì)術(shù)的研究與應(yīng)用對(duì)電子封裝業(yè)的原時(shí)設(shè)備制造商和電子代工生產(chǎn)商已成為當(dāng)務(wù)之急。另外，電子封裝向著高集成、高密度方向發(fā)展，焊點(diǎn)越來(lái)越小而所承載的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)負(fù)荷越來(lái)越高，傳統(tǒng)的Sn37Pb已不能滿足工藝要求。在向無(wú)鉛化過(guò)渡的進(jìn)程中，封裝材料與封裝工藝的改變所帶來(lái)的最突出的部題之一就是無(wú)鉛焊點(diǎn)可靠性問(wèn)題。



1． 無(wú)鉛焊料的研究現(xiàn)狀

國(guó)際上對(duì)無(wú)鉛焊料的定義為：以Sn為基，添加Ag、Cu、Zn、Bi等元素構(gòu)成的二元、三元甚至四元的共晶合金代替Sn37Pb焊料，其中w(Pb)應(yīng)小于0.01%。目前，國(guó)際上一致公認(rèn)的首選代鉛錫焊料主要集中在Sn-Ab-Cu系。

無(wú)鉛焊接工藝

按焊點(diǎn)連接方式來(lái)分，電子焊接工藝主要有二種：波峰焊（Wave Soldering）和回流焊（Reflow Soldering）。波峰焊是基于傳統(tǒng)的焊錫-通孔（THT，Pin Through Hole）工藝發(fā)展起來(lái)的，而回流焊是基于新型的表面貼裝技術(shù)（SMT，Surface Mount Technology）發(fā)展起來(lái)的。而現(xiàn)今大多數(shù)電子封裝為THT/SMT混裝工藝。

無(wú)鉛焊料的要求

理想的無(wú)鉛焊料的要求：良好的電學(xué)、力學(xué)性能、可潤(rùn)濕性、無(wú)潛在電解腐蝕或晶須生長(zhǎng)、成本適中、易于加工、可采用現(xiàn)有焊劑系統(tǒng)，不需要?dú)怏w保護(hù)、與現(xiàn)行工藝設(shè)備兼容性好。實(shí)際無(wú)鉛焊料的開發(fā)主要考慮如下六個(gè)方面：⑴相變溫度與Sn-Pb釬料相近；⑵無(wú)毒性；⑶足夠的力學(xué)性能；⑷合適的物理性能，特別是電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)；⑸良好的潤(rùn)濕性；⑹可接受的價(jià)格。

無(wú)鉛焊料的分類

按主要添加元素可以分為Sn-Ag系、Sn-Ag-Cu系、Sn-Bi系、Sn-Zn系。

Sn-Ag系和Sn-Ag-Cu系

Sn-Ag系和Sn-Ag-Cu系焊料具有較好的可綜合性能，尤其是Sn-Ag-Cu系焊料以其固有的微細(xì)組織、優(yōu)良的機(jī)械物理性、良好的耐疲勞性能和蠕變性能而受到世界大部分地區(qū)的親睞。

Sn-Ag系焊料在w(Ag)含量為3.5%時(shí)形成二元AgSn3-Sn共晶，熔點(diǎn)為221℃。AgSn3相呈環(huán)狀，并均勻分散在Sn基體中，從而起到合金強(qiáng)化作用；銀含量超過(guò)3.5%時(shí)形成過(guò)共晶，會(huì)有μm級(jí)的AgSn3板狀粗晶出現(xiàn)；Ag的含量低于3.2%時(shí)，不會(huì)有粗大片層狀A(yù)gSn3生成，此外，AgSn3粗化還與保溫溫度，冷卻速度有關(guān)。

Sn-Ag-Cu系焊料的熔化溫度在217℃，它的微觀結(jié)構(gòu)由Ricn-Sn相、彌散分布的AgSn3和Cu6Sn5相組成。

有關(guān)Sn-Ag系和Sn-Ag-Cu系合金微觀組織的細(xì)化和穩(wěn)定是近年來(lái)研究的一個(gè)重要方向。添加適量Bi，In等元素可細(xì)化AgSn3相，還能抑制Sn枝晶的形成，添加0.5%Sb可以提高Sn-Ag-Cu系抗蠕變性，添加Fe、Co則可以細(xì)化其組織。最近有報(bào)道稱Sn-Ag-Cu焊料還存在熔點(diǎn)低于Sn-Ag共晶溫度的三元共晶。

基于以上研究，目前美國(guó)NEMI、日本JEIDA和歐盟BRITE-EURAM所推薦的Sn-Ag-Cu焊料成分均集中在Sn-(1.7~3.9)Ag-(0.5~0.7)Cu。盡管Sn-Ag-Cu合金作為高熔點(diǎn)焊料已開始入實(shí)用階段，但其較高的熔點(diǎn)給它的應(yīng)用帶來(lái)了許多限制。

Sn-Bi系

Sn-Bi系焊料能在139~232℃寬熔點(diǎn)范圍內(nèi)形成。合金其熔點(diǎn)最接近Sn37Pb合金因而工藝兼容性最好，含Bi焊料在日本受到特別的厚愛(ài)。然而Sn-Bi系存在一個(gè)致命弱點(diǎn)：Bi在凝固過(guò)程會(huì)偏析而造成共晶溶解與Bi的粗化，在焊區(qū)底部形成Bi-rich低溶點(diǎn)相。凝固時(shí)，引線和焊料熱縮應(yīng)力對(duì)焊區(qū)底部產(chǎn)生拉伸而導(dǎo)致焊區(qū)部提升的現(xiàn)象（亦稱為“Fillet-Lifting”現(xiàn)象）。“Fillet-Lifting”現(xiàn)象的解釋機(jī)理主要有：焊料本身產(chǎn)生的低溫相，焊料與鍍層反應(yīng)生成的低溫相，合金固液共存區(qū)過(guò)大。常用的改進(jìn)方法是通過(guò)添加第三種元素的微合金化使Bi微細(xì)分散，從而改善Sn-Bi合金的性能。

Sn-Zn系

Sn-9Zn合金的熔點(diǎn)為199℃，與Sn37Pb熔點(diǎn)接近，且熔點(diǎn)的溫度范圍很窄。Sn-10Bi-8Zn的熔點(diǎn)為186~188℃，Sn-8Zn-5In-0.1Ag合金的熔點(diǎn)為185~198℃。Sn和Zn的毒性小、儲(chǔ)量豐、價(jià)格低。曾報(bào)道Sn-Zn焊料的拉伸強(qiáng)度優(yōu)于Sn37Pb料；長(zhǎng)期延展性與Sn37Pb相當(dāng)；蠕變特性好。通過(guò)添加Ag、Cu、In等元素還能降低合金熔點(diǎn)提高其強(qiáng)度和抗腐蝕性。然而Sn-Zn合金的Zn元素離子化傾向大，而易形成穩(wěn)定的氧化物。導(dǎo)致潤(rùn)濕性變差，耐氧化成問(wèn)題。目前Sn-Zn系的研究重點(diǎn)已轉(zhuǎn)到可用于大氣條件下焊接的焊劑的研究。

與傳統(tǒng)的Sn37Pb焊料相比，目前，人們對(duì)無(wú)鉛焊料的研究開發(fā)尚處于探索和實(shí)驗(yàn)階段，離技術(shù)成熟還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走。

2． 無(wú)鉛焊點(diǎn)的可靠性

隨著無(wú)鉛焊料應(yīng)用的普及，無(wú)鉛焊料焊點(diǎn)的可靠性問(wèn)題顯得尤為重要。美國(guó)AT&T的H Anthony Chan認(rèn)為電子產(chǎn)品的失效主要來(lái)源于元件問(wèn)題、設(shè)計(jì)不良和組裝過(guò)程。電子器件服役時(shí)，在環(huán)境溫度變化（或功率循環(huán)）時(shí)由于芯片與基板、元器件與印制電路板材料熱膨脹系數(shù)的差異，在焊點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力而造成焊點(diǎn)的疲勞損傷；相對(duì)于服役的環(huán)境溫度，焊料自身熔點(diǎn)較低，隨著時(shí)間的延續(xù)，產(chǎn)生明顯的粘性行為而導(dǎo)致焊點(diǎn)的蠕變損傷。

無(wú)鉛焊點(diǎn)的可靠性評(píng)價(jià)

無(wú)鉛焊點(diǎn)的可靠性評(píng)價(jià)主要有熱循環(huán)疲勞試驗(yàn)和機(jī)械等溫疲勞試驗(yàn)。焊點(diǎn)失效的熱循環(huán)疲勞試驗(yàn)壽命可在焊料溫度依存性和時(shí)間依存性的基礎(chǔ)上利用Weibull分布來(lái)估算。

由于熱循環(huán)疲勞耗時(shí)較長(zhǎng)，又提出了機(jī)械等溫疲勞試驗(yàn)。它是通過(guò)在恒定溫度下對(duì)焊接部位施加機(jī)械往返載荷，得到非線性應(yīng)變振幅而完成熱疲勞強(qiáng)度的評(píng)價(jià)。熱疲勞壽命可根據(jù)Manson-Coffin方程來(lái)預(yù)測(cè)。在Manson-Coffin方程的基礎(chǔ)上，Solomon建立了基于等效塑性應(yīng)變范圍的疲勞預(yù)測(cè)模式。

焊點(diǎn)的失效模式分析方法

焊點(diǎn)可靠性的失效模式分析方法有二種：破壞性分析和非破壞性分析。非破壞性通常用X光或超聲波來(lái)檢測(cè)焊點(diǎn)是否有孔洞，能方便地找出失效實(shí)際位置。但對(duì)裂紋造成的失效不容易分析。破壞性分析是通過(guò)斷面切片，利用掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察和成分分析，找出失效機(jī)制。常用于界面金屬間化合物厚度的分析。

3． 無(wú)鉛焊點(diǎn)的缺陷

“錫須”問(wèn)題

“錫須”指器件在長(zhǎng)期儲(chǔ)存、使用過(guò)程中，在機(jī)械、溫度、環(huán)境等作用下會(huì)在高錫鍍層的表面生長(zhǎng)出一些胡須狀晶體，其主要成分是錫。由于“錫須”可能連到其他線路引起嚴(yán)重的可靠性問(wèn)題，而倍受業(yè)界的關(guān)注。錫須的成長(zhǎng)因素很多，比較一至的看法是由于材料的晶格失配所引起的應(yīng)力造成。目前僅日本制定了“錫須”試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。有研究報(bào)道鍍層添加Bi，Sn和Au元素可抑制“錫須”產(chǎn)生，而Cu會(huì)加速“錫須”生長(zhǎng)；有機(jī)顆粒沉積物會(huì)加速“錫須”生成。預(yù)防措施主要有去應(yīng)力、覆錫霧、加Ni或Au等。Agere的研究表明在錫與銅之間加入2μ厚的鎳層能有效抑制“錫須”的成長(zhǎng)。

Kirkendall空洞問(wèn)題

如果兩種材料的擴(kuò)散率不同，其中一種材料將出現(xiàn)原子耗損空位，從而導(dǎo)致Kirken-dall空洞也是隨時(shí)間變化的。引起Kirken-dall空洞的原因可能如下：固化期間焊錫的收縮；焊接期間電鍍通孔的排氣；焊接點(diǎn)濕潤(rùn)不夠。一般，小的空洞不影響焊點(diǎn)的可靠性，但大的空洞可能降低抗拉強(qiáng)度，降低線路的導(dǎo)電與導(dǎo)熱性能而造成熱失效。

4． 展望

當(dāng)前，電子封裝無(wú)鉛化已是業(yè)界的發(fā)展趨勢(shì)，但目前所開發(fā)的無(wú)鉛焊料還沒(méi)有一種的綜合性能能與傳統(tǒng)的Sn37Pb焊料相比；各國(guó)研究的重點(diǎn)、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試數(shù)據(jù)也不統(tǒng)一；就國(guó)際上所看好的Sn-Ag-Cu合金而言，還沒(méi)有產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性測(cè)試數(shù)據(jù)。

隨著無(wú)鉛焊接技術(shù)不斷走向深入，所帶來(lái)的問(wèn)題已成為有待解決的研究熱點(diǎn)。這些問(wèn)題主要有：⑴優(yōu)化現(xiàn)有成份利用新工藝制備新型無(wú)鉛焊料，如無(wú)鉛非晶焊料、納米晶焊料。⑵無(wú)鉛焊料的工業(yè)應(yīng)用與相關(guān)焊接工藝的研究。⑶無(wú)鉛焊點(diǎn)的長(zhǎng)期可靠性問(wèn)題和失效機(jī)理的深入研究。

資料來(lái)源：www.iccae.com