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1、 陕西国防工业职业技术学院表面组装技术题题 目目 无铅焊料的研究无铅焊料的研究 专专 业业 应用电子技术应用电子技术 班班 级级 电子电子 50815081 姓姓 名名 韩森韩森 学学 号号 3150813031508130 任课教师任课教师 张玲娜张玲娜 高敏高敏 1目录目录引言引言.2一无铅焊料的发展一无铅焊料的发展.3二二. Sn-Ag-Cu 合金的主要性能合金的主要性能.32.12.1 典型典型 Sn-Ag-CuSn-Ag-Cu 合金的物理性能合金的物理性能 .4 42.22.2 Sn-Ag-CuSn-Ag-Cu 合金的其他性能合金的其他性能.4 4三三.可靠性研究可靠性研究.43.1
2、3.1 无铅焊点的主要失效形式及原因无铅焊点的主要失效形式及原因.4 43.23.2 可靠性的主要研究方法可靠性的主要研究方法.4 43.2.13.2.1 试验法试验法 .4 43.2.23.2.2 数值模拟法数值模拟法 .5 5四四. . 无铅焊接需要面对的问题无铅焊接需要面对的问题.5五五.无铅焊料的研究发展趋势展望无铅焊料的研究发展趋势展望.6六六. .结论结论.6七七.致谢致谢.6八八. .参考文献参考文献.72引言引言电子产品在我们的生活中无处不在。在这些产品中，电子封装技术起着 举足轻重的作用。随着 IC 制造业的迅速发展，电子封装产业面临着越来越大的 挑战。随着对高性能、大功率、
3、小型化在电子产品中要求的不断扩大，电子封 装正从有引线(peripherallead)封装向平面阵列(area array)无引线封装趋势 发展。 由于焊点既能作为电气通道，又能在芯片和基板之间提供机械连接同时提 高导热率，所以它在电子封装中得到 r 广泛的应用3。因而焊点的可靠性问题 是电子产品设计和使用时的核心问题之一。电子封装件的焊点在服役过程中伴 随着循环的热-机械应力作用，极易发生热疲劳和蠕变。因此如何评测它的可靠 性和寿命就变得非常迫切。关键词：数值 模拟 试验 可靠 焊料 替代 应力 模型 循环IntroductionElectronic products is ubiquito
4、us in our life. In these products, electronic packaging technology play a decisive role. With the rapid development of IC manufacturing industry, electronic packaging industry is facing more and more challenges. With the high performance, high power, small in electronic products demand continues to
5、expand, electronic package from a lead ( peripherallead ) package to the planar array ( area array ) leadless package development trend.As a result of solder joint can be used as electrical channel, can also provide mechanical connection between the chip and the substrate while improving thermal con
6、ductivity, so it is in electronic packaging are widely used in R 3. Thus the reliability of soldered joints of electronic product design and use one of the core issues. Electronic package solder joints in service during the accompanying thermal - mechanical stress, prone to thermal fatigue and creep
7、. Therefore, how to evaluate its reliability and life becomes very urgent.Key words: numerical simulation test reliable solder alternative stress model cycle3一无铅焊料的发展无铅焊料的发展由于价格低廉，具有良好的导电性，优良的力学性能和可焊性，sn-Pb 焊料 成为连接器件和印刷电路板的首选焊接连接材料。近年来，无铅焊料的研究和 开发受到了越来越广泛的重视。主要原因有：(1)研究表明 Pb 对人体的健康和 环境有不利的影响；(2)传统的
8、SnPb 焊料剪切强度、抗蠕变和抗疲劳能力差， 导致平面阵列封装的焊点过早失效；(3)电子产品应用领域的不断扩大，对焊料 等互连材料提出了新的要求。欧盟对电子产品实施 RoHS(Restriction of：Haz-ardous Substances)法令无疑 更加快了焊料无铅化的进程。传统 Sn-Pb 焊料的无铅替代品原则上应符合以下 要求4:(1)熔点接近传统 Sn-Pb 焊料的熔点，特别应该接近共晶 sn-Pb 焊料的熔 点(183)；(2)与基板材料或金属材料有较好的浸润能力；(3)机械性能至少不 低于 Sn-Pb 焊料，抗疲劳性能好；(4)与现有的液体助焊剂相匹配；(5)加工性能 好
9、；(6)以焊膏形式存在时有足够的寿命和使用性能；(7)焊后缺陷率小；(8)价格 合适，供应充足；(9)毒性小，不会对人和环境产生不利影响。 国际上对无铅焊料的定义为：以 Sn 为基，添加 Ag、Cu、Zn、Bi 等元素构 成的二元、三元甚至四元的共晶合金，代替 SnPb 焊料，其中 W(Pb)应小于 01。 表 1 给出了常用锡基二元合金焊料的优缺点。二二. Sn-Ag-Cu 合金的主要性能合金的主要性能到日前为止已出现 r 许多种无钳焊料系列。但是，国际上一致公认的最有 可能取代铅锡焊料的足 Sn-Ag-Cu 合金系列。这种合金系列是在 Sn-Ag 合金的 基础上添加 Cu，能够在维持 Sn
10、-Ag 合金良好性能的同时，稍微降低其熔， ，而 且添加 Cu 以后，能减少所焊材料中 Cu 的溶解。Sn-Ag-cu 的共晶成分还没有精 确地确定下来。在日本认为是 965Sn30Ag05Cu，美国认为是 955Sn39Ag06Cu，而欧盟则是 955Sn38Ag07Cu。42.1 典型 Sn-Ag-Cu 合金的物理性能在典型的 Sn-Ag-Cu 合金组织中，刚绕 -Sn 初品形成了共品组织，几 乎看不出与 Sn-Ag 共品晶组织有区别。Ag3Sn 徽细结晶具有相当长的纤维状组 织，Cu6Sn5 的微细析出品粒混在其中。 Sn-Ag-Cu 合金三元共晶点的成分为 956Sn-35Ag-09c
11、u(1)，其熔 点为 217，存在多个 Sn-Ag-Cu 成分点，这些点的熔化温度在 217-227 之 间。 2.2 Sn-Ag-Cu 合金的其他性能Sn-Ag-cu 合金的抗拉强度接近或高于 Sn-Pb 共品。近共晶点合金的屈服 强度、剪切强度、冲击韧性及蠕变抗力均高于 Sn-Pb 共晶焊料。Sn-Ag-Cu 合金， 离共晶点成分越远，不仅熔点升高，而且抗拉强度和剪切强度也升高，但延伸 率降低。而在浸润性方面，Sn-Ag-Cu 合金要比 Sn-Pb 共晶合金稍差一点。三三.可靠性研究可靠性研究电子器件服役时，当环境温度变化时由于芯片与基板、元器件与印刷 电路板(PCB)材料热膨胀系数的差异
12、，在焊点内部产生热应力而造成焊点的疲劳 损伤；另一方面，相对于服役的环境温度，焊料自身熔点较低，随着时间的延 续，产生明显的黏性行为而导致焊点的蠕变损伤。可靠性问题还包括接头中电 子迁移及接头与界面处的金属间化合物的生长。焊点的可靠性研究主要集中在 焊点的失效机制，影响焊点失效的因素，焊点失效的检测及焊点的寿命预测等。3.1 无铅焊点的主要失效形式及原因当熔融的焊料与清净的基板接触时，在界面处会形成金属问化合物 (Intermetallic compounds，IMc)。在焊点服役时，其微结构会粗化，界面处的 IMC 亦会不断增长。随 IMC 厚度的增长，会引起焊点中微裂纹萌生乃至断裂。 IMC 造成失效的原因主要有：(1)IMC 达到一定厚度时会表现出脆性；(2)由于 反应中组元的扩散速率不同造成 Kirkendall 空洞。一般而言，界面处 IMC 越厚， 焊点越可能在层间发生脆性断裂。电子器件在服役条件下，电路的周期性通断电和环境温度的
