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微电子封装无铅化的基本问题探究

作者： 肖 明 0800150227
张成伟 0800150231
黎 丽 0800150201
姚 午 0800150230

2010/10/12

微电子封装无铅化的基本问题探究
目录
摘要 1
前言 2
无铅的定义 2
微电子封装采用无铅钎料的必要性 2
无铅化生产工艺中的诸多问题 3
无铅化焊接带来的可靠性问题 4
如何保证无铅化焊接的可靠性 4
无铅焊料未来的发展趋势 5
结语 6

摘要：本文阐述了电子制造业中无铅化的的一些基本问题，并着重分析并讨论了微电子封装对无铅化的可靠性问题。
关键词：无铅焊料 微电子封装 可靠性

Abstract: With the establishment of green lead-free solder legislate which was declared by the U.S, Japan and EU，more and more countries and companies are engaged in researching and designing of lead-free solder. This paper reviews some basic questions of lead-free solder, analyses the ways of solving the reliability problem.
Key-words: lead-free solder Microelectronics packaging Reliability

前言
微电子封装是将数十万乃至数百万半导体元件组装成一个紧凑的封装体，有外界提供电源并与外界进行信息交流。从20世纪80年代起，微电子封装技术已逐渐成了影响微电子技术发展的重要因素之一，并逐步发展成为一种多学科交叉的热门技术。微电子技术的发展，极大地推动了封装形式及封装材料的不断更新。封装材料的无铅化就是目前微电子封装技术的发展方向之一。但是封装材料的无铅化对产品的质量却有重大的影响，特别是产品的可靠性问题，因为产品的可靠性高低是衡量产品优劣的关键指标。那么如何去确定和评估这个影响，并据此来制定生产中的生产工艺，就显得非常的迫切和重要。
无铅的定义
（1）无铅的定义：
在整个电子产品里Pb、Hg、Cd、六价Cr、PBB（六溴联苯）、PBDE（多溴
联苯醚）6种物质的质量百分比<0.1%。
【注】这个0.1%的质量百分比，不是产品总质量的0.1%,而是指镀层质量的0.1%。
（2）无铅焊料合金的定义：
无铅焊料并不是没有铅，因为世界上不存在100%纯度的金属，因此无铅
焊料是指焊料中铅含量的上限问题。ISO0453、JIZ3283、ROHS指令均要求
合金中铅含量<0.1%，因为无铅焊料是用于ROHS指令的，因此，无铅焊料
还要求其他几种有害元素含量的上限也必须符合ROHS要求。
微电子封装采用无铅钎料的必要性
铅锡合金作为软钎材料，因其成本低廉、良好的导电性、优良的力学性能和焊接性，一直以来是微电子封装领域最主要的钎焊材料。然而，Pb及含Pb物是危害人类健康和污染环境的有害有毒物质，长期广泛地使用含铅钎料会给人类环境和安全带来不可忽视的危险。同时，随着微电子封装的迅速发展，焊接点越来越小，而所需承载的力学、电学和热学负荷越来越重，对钎焊的性能要求也不断提高。传统的铅锡焊料由于抗蠕变性能差，导致焊点过早失效，已不能满足电子工业对其可靠性的要求。所以我们需要研发高性能无铅焊料来替代传统的铅锡焊料，以提高焊接产品的可靠性。
总的来说，微电子封装无铅化技术的开发和利用，不仅对环保有利，还担负着提高电子产品质量的重要任务。

无铅化生产工艺中的诸多问题
（1）工艺流程上有铅和无铅之间有较大区别，如表1：
序号
项目
有铅技术
无铅技术
1
焊接温度
铅锡共晶焊料的熔点为183℃
无铅焊料一般均在217℃以上
2
自校正能力
自校正能力（self-alignment）较好
较差
3
浸润性能
较好
较差
4
工艺窗口
较宽
狭窄
5
焊点外观
较好
较差
6
环保性
较差
较好
表1---无铅和有铅在生产工艺上的区别
分析：有铅锡膏（Sn63Pb37）的熔点为183℃，如果要形成一个好的焊点就必须在焊接时有0.5-3.5um厚度的金属间化合物生成，金属间化合物的形成温度为熔点以上10-15℃，对于有铅焊接而言也就是195-200℃。线路板上的电子原器件的最高承受温度一般为240℃。因此，对于有铅焊接，理想的焊接工艺窗口为195-240℃。
无铅焊接由于无铅锡膏的熔点发生了变化，因此为焊接工艺带来了很大的变化。目前常用的无铅锡膏为Sn96Ag0.5Cu3.5 ，熔点为217-221℃。质量优良的无铅焊接必须形成0.5-3.5um厚度的金属间化合物，金属间化合物的形成温度也应该在熔点之上10-15℃，即达到230-235℃。由于无铅焊接电子元器件的最高承受温度并不会发生变化，因此，对于无铅焊接，理想的焊接工艺窗口为230-240℃。
工艺窗口的大幅减少为保证焊接质量带来了很大的挑战，也对无铅焊接设备的稳定性和可靠性带来了更高的要求。由于设备本身就存在横向温差，加之电子原器件由于热容量的大小差异在加热过程中也会产生温差，因此在无铅回流焊工艺控制中可以调整的焊接温度工艺窗口范围就变得非常小了，这是无铅回流焊的真正难点所在。
（2）焊料与元器件
无铅焊料和有铅焊料，有着不同的熔化表面张力、不同的熔点温度和不同的氧化特性。无铅焊料的熔点较高，这就对器件和PCB板的耐热性提出了较高的要求，器件整体的耐热性也将是个考虑的重点。由于无铅焊料的熔点一般高出含铅许多，意味着在焊接时温度提高许多。含铅技术中使用的器件，未必能承受得起这提高的温度（事实上含铅技术下的器件并没有确保能够承受无铅的温度，也因此许多材料并不能承受这高温）。所以除了焊接材料必须是无铅，以及和所使用的无铅焊料需要兼容外，器件本体封装等材料也必须承受得起所需要的焊接热能（即温度和时间）。另外，目前无铅和有铅混合的问题也很严重，由于无铅和含铅材料并不完全兼容，会带来温度承受能力不足、焊点不良、以及“铅污染”、生产成本等诸多问题。
（3）焊料印刷
无铅技术给锡膏焊剂带来质和量上的改变，使锡膏的粘性和流变性产生变化。而锡膏印刷工艺的要点就是掌握和处理锡膏的流变性。所以无铅其实也给印刷工艺带来了巨大的变化。
无铅化焊接带来的可靠性问题
在微电子封装产业中，为提高集成度，减少器件的尺寸，广泛采用的SMT组装技术及新型的芯片尺寸封装（CSP）、球栅阵列（BGA）及MCM等封装技术，均通过焊点互联直接实现异质材料间电气及机械连接（主要承受剪切应变），因此，如何保证无铅焊点的质量是一个重要问题。由于一般无铅焊料合金的熔点相对较低，在封装中，既用于电连接，又用于机械连接；在服役条件下，电路的周期性通断和环境的周期性变化，使焊点经受温度循环过程，封装材料间的热膨胀失配。所以在微电子封装中，无铅焊料的焊点内将产生周期性的应力应变过程，导致焊点裂纹的萌生和扩展，最终使焊点失效。相关研究表明，电子器件的失效70%是由封装和组装的失效所引起，而在封装和组装失效中，无铅钎料接点的失效是主要原因。它的质量与可靠性很大程度决定了电子产品的质量。首先是目前无铅钎料的熔点较高，一般都在217℃左右，而传统的Sn-Pb共晶钎料熔点是183℃温度曲线的提升随之会带来的是焊料易氧化及金属间化合物生长迅速等问题。其次是由于钎料不含Pb，钎料的润湿性能较差，容易导致产品焊点的自校准能力、抗拉强度和抗剪强度等不能满足要求。
如何保证无铅化焊接的可靠性
1) 设计
设计时要合理安排零件的位置，避免把发热量大的元器件密集分布在一起，使得区域内的温度大量增加，影响焊接质量可靠性。因为温度的升高会使钎料材料发生二次反应，如金属间化合物增厚等现象，降低焊点的力学性能。另外相邻高大元件在回流焊时产生“高楼效应”，形成热风冲击，同样应该避免。
设计时要合理安排散热，如果某零件在工作期间的升温非常大时，有必要给其安装相应的散热片，把热量及时地散发走，以免影响钎接质量。
2) 材料
钎料的选择极为重要，目前，大多采用锡银铜合金系列，液相温度是217~221℃，这就要求再流焊具有较高的峰值温度，如前所述会带来钎料及导体材料（如Cu箔）易高温氧化，金属间化合物生长迅速等问题。因为在焊接过程中，熔融的钎料与钎接衬底接触时，由于高温在界面会形成一层金属间化合物（IMC）。其形成不但受钎焊温度、时间的控制，而且在后期使用过程中其厚度会随时间增加。许多研究已经表明，界面上的金属间化合物是影响焊点可靠性的一个关键因素。过厚的金属间化合物层的存在会严重导致焊点断裂，韧性和抗低周疲劳能力下降，从而导致焊点的可靠性降级。
3) 工艺
SMT、MCM工艺流程问题。包括了钎料存储温度不当，焊盘钎料不足，再流焊温度曲线设置不当等问题。就无铅钎接而言，铅焊工艺中温度曲线的优化至为关键，以保证形成高可靠的钎焊连接，同时又保持尽可能低的峰值温度。因此，目前除日本以外，其他国家的消费电子公司似乎都接受了锡银铜合金系列，合金中银所占比例为3.0%~4.7%；铜为0.5%~3.0%。不同成分的合金熔点相差不大，基本在217~221℃之间变化，锡铅合金（质量分数63%的锡和37%的铅）的液相温度是183℃，两者相差34℃。因此开始时严密监控这一阶段非常重要，主要针对再流焊工艺中的关键变量，如峰值温度、高于液相温度的时间、浸渍时间、浸渍温度以及由于选择钎剂和焊膏而一年期的斜坡速率，以确保焊接过程中能保持1.33或高于1.33的Cpk。
无铅焊接时，由于采用较高的钎焊温度和较长的钎焊时间，印刷电路板以及元件的耐热问题，塑封元件、电容器、LED、接插件等之间的热兼容问题十分突出。另外，钎焊温度的升高，氧化问题突出。氧化对润湿性有害，进而影响钎焊工艺性能。可以设想，钎焊温度升高10℃并不多，但按照Arrhenius定律，反应速率将呈指数增加，进而影响氧化层的厚度。为了减少钎焊过程的氧化，保证有足够的润湿性，必须使用助焊剂。助焊剂中的有机化合物及溶剂在高温下可能丧失原有的性能，溶剂的蒸发也更快。
4) 其他
提高无铅钎焊的预热温度，钎料膏容易塌陷助焊剂的酸性物质容易迅速失去活性，高温下金属表面的铅剂保护层也薄，增加了钎料及焊盘金属的氧化。高温下助焊剂本身也将氧化或聚合，钎焊后形成棕褐色化合物留在表面，难以去除。
无铅焊料未来的发展趋势
1) 焊料合金的设计正朝多元合金方向发展。因为：①已有的锡基无铅焊料的熔点（液相线和固相线温度）或是太高，或是太低，或是液固相温度相差太大；②二元共晶合金的力学性能有可能通过添加多种合金元素得到提高；③通过优化钎剂和焊料合金化提高可焊性。但由于电子产品绿色回收问题的日益突出将会锁定若干添加元素。
2) 基于科学发展对材料设计的高效、经济并富有预测性的要求，利用相图计算技术，通过热力学、量子理论计算方法进行材料设计成为未来必然的发展趋势。
3) 将材料科学的基本成果和理论与无铅焊料研究相结合，深入分析其机理的方法，日益受到材料研究人员的重视。
4) 制定无铅焊料的标准。元件、线路板、焊接等工艺制定才能与之适应。在铅剂、钎焊工艺、检验、钎焊标准等多方面进行配合，才能更快推广无铅焊料，使之产业化。
5) 含铅焊料将逐步萎缩到较小的比例直至消失，但高温钎料中高铅焊料的使用将会维持较长的一段时间。
6) 用于回流焊接的无铅焊料的主成分将会集中在2至3个主流成分上，专利纠纷会逐渐解决；而用于波峰焊的无铅焊料成分将会出现百花齐放的景象，但抗氧化问题将会成为主要障碍。
结语：
1) 钎料在微电子封装产业中起着举足轻重的作用，相关设计、工艺及管理人员均应引起充分重视，研究开发新型优质的绿色环保型无铅钎料，积极优化工艺，提高产品质量、可靠性，对我国环保、人们生活健康及电子封装产业均有重要的意义。
2) 各类新型无铅焊料的设计与研制，焊接性与可靠性研究，相关焊接工艺的研究均是当前无铅钎料研究工作中的几大前沿课题
3) 尽管目前在制造成本控制和技术上无铅产品已经日趋成熟，但是在无铅化进程中还存在一些悬而未决的问题。例如金属间化合物的影响、虚焊现象、含铅钎料的废气处理和有无铅钎料产生的渣滓的再利用等问题，都有待进一步研究。

参考文献
[1] 中国半导体行业封装分会，《中国半导体封装测试产业调研报告-2009年度》
[2] 电子工业出版社，《表面组装技术（SMT）通用工艺与无铅工艺实施》，2008年版
[3] 机械工业出版社，《电子制造技术基础》，2006年版
[4] 华中科技大学材料学院，梁凯 姚高尚 简虎 熊腊森，《微电子封装无铅钎焊的可靠性研究》
[5] 中国电子科技集团第三十四研究所，杜连芳 胡岚，《PCB工艺设计中应注意的问题》
[6] 中国电子科技集团第三十四研究所，杜连芳 王洁，《无铅技术对SMT影响的分析》
[7] ERSA亚太区办事处，谢健浩，《日趋成熟的无铅技术对回流焊的要求》