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1、热处理对96. 5Sn35Ag焊点中Cu-Sn合金层的影响汤清华 潘晓光 Lawrance C.M.Wu摘要 在焊点与铜基之间形 成的 Cu-Sn 合金成分对表面安装器件的疲劳寿 命起着关键性的作用。本文着重研究了 93.5Sn3.5Ag(简写为Sn-Ag)焊料与Cu 基界面间形成的合金层，通过电子扫描显微镜(SEM), X衍射(XDA)及能谱X射 线(EDX)等分析发现，在Sn-Ag与Cu基界面上存在Cu Sn及Cu Sn两种合金成分,653且随着热处理时间增加， CuSn 合金层增厚，并在该处容易出现裂纹而导致焊点 65强度减弱，从而使焊点产生疲劳失效。关键词 热处理 96.5Sn3.5A
2、g 焊点 合金层Effect of Annealing on Intermetallic Cu-Sn of96.5Sn3.5Ag Solder JointTang Qinghua Pan XiaoguangDept of Electronics of Science and Technology HuazhongUniversity of Science and TechnologyLawrance C.M.WuDept of Physics and Materials Science of City University of HongkongAbstract Copper-Tin(Cu-S
3、n) Intermetallic compounds(IMC) between solder joint and Cu pad plays a key role on the fatigue life serface on mount technology(SMT).In this paper,the Cu-Sn IMC of 96.5Sn3.5Ag solder joint was studied.Through SEM,XDA and EDX analysis,it was found that there were two kinds intermetalic,Cu6Sn5 and Cu
4、3Sn,on the interface of solder and copper,The thickness of intermetallic increased with annealing time increased.It would cause the creak of the solder and abate the mechanical strength of solder and make solder fatigue failure.Keywords Annealing 96.5Sn3.5Ag solder joint Intermetallic在表面安装焊点中影响其可行性的
5、主要因素之一是焊料与铜基界面出现的Cu-Sn合金层，对Sn-Pb焊料，有两种合金项成分出现在界面上，即Cu Sn和Cu Sn6531，2，由于 CuSn 本身具有易碎的特性，加上它与焊点及印制电路板之间热膨胀 65 系数相差较大，从而是使焊点强度降低，直至产生疲劳失效的重要隐患。无铅焊料一直是人们研究用以替代Sn-Pb焊料的重要目标，研究发现Sn-Ag 焊料有很多性能都达到甚至超过了 Sn-Pb 焊料的性能，如它具有好的延展性、热 蠕变及热阻小等特性，但它的熔点较高而决定其只能用于高温焊接。本文主要研究了 Sn-Ag 焊料与铜基形成的合金层。我们采用典型的再流焊工 艺焊接样品，并在不同的热处理
6、条件下对样品进行热处理，测试焊点的切向拉力 强度，并用 SEM、EDX、XDA 观察并分析焊点的结构及成分。1 实验过程将 96.5Sn3.5Ag 焊膏印刷到 FR-4 印制电路板 (PCB) 上，测量焊膏的厚度，保 证焊膏厚度为160180“m,以避免焊膏厚度对焊点性能造成的影响。置1206 LCCC 元件于铜焊盘上，放其到再流焊系统中进行焊接，其焊接曲线如图 1 所示。图 1 Sn-Ag 典型的再流焊接曲线图将样品置于100C恒温炉中进行热处理，其热处理时间分别为0h、0.5h、72h、 240h和480h，将一部分样品在拉力测试仪上测试焊点的拉力强度，其测量方法 如图2所示，另一部分样品
7、经切割、研磨抛光后，放置到2%HCl、6%HNO的水溶 液中腐蚀1020s，在SEM下观察焊点的结构，并测量合金层的厚度，用EDX及 XDA 分析其相成分。图 2 焊点的拉力测量2 结果与分析图3为焊点的分析曲线，图4为焊点与铜盘间界面的X衍射分析图，从图4 中可以看出，在界面中主要有两种合金相成分出现，即CU6Sn5和CU3Sn。对焊点 中合金层厚度的测量发现，随着热处理时间的增加，合金相厚度增加。图5为合 金层的厚度随热处理时间的变化曲线。根据EDX分析发现，Cu Sn主要出现在富 3铜侧，且随热处理时间增加，“也相厚度相应增加。图3界面中不同位置的EDX曲线图4合金层的XDA分析曲线图
8、5 合金层厚度随热处理时间的变化曲线测试各样品的切向拉力强度，我们发现热处理时间对焊点强度有较大影响， 图 6 为不同热处理条件下测试的焊点切向拉力强度。图上可以看到，随着热处理 时间的增加，焊点强度出现极大值。图 6 切向拉力强度随热处理时间变化曲线从图 5 中我们可以看到，在热处理时间较短时，合金层的厚度增加 较少， 这对焊点强度影响并不显著。我们知道焊点在焊接过程中由于有机物的挥发，且 焊接时间较短，焊点中容易产生孔洞，同时有机物挥发不完全而有物质残留在 焊 点内，这都会影响焊点的强度。适当的热处理时间有助于焊点中的组织重排，有 利于有机物的挥发及气孔的排出b妇，因此在热处理时间为0.5
9、h，焊点的强度 有所增加。当热处理时间增加时，合金相CuSn增加较多，我们知道Cu Sn本身 具有脆性，同时合金层与焊点及PCB之间热膨胀系数不匹配，使其在合金层处出 现裂纹，从而导致焊点强度下降，进而影响了焊点的疲劳寿命。3 结论本文主要研究了不同热处理条件下，Sn-Ag焊料与Cu基界面间形成的合金 相成分，研究发现，在焊点与 Cu 基界面上有两种 Cu-Sn 合金相存在，即 CuSn 65 和Cu Sn，且随着热处理时间的增加，Cu Sn相厚度增加。对焊点进行切向拉力 强度测试发现，焊点的拉力强度随着热处理时间的变化而出现极大值。作者单位：(汤清华 潘晓光)华中理工大学电子科学与技术系(武
10、汉 430074) (Lawrance C.M.Wu)香港城市大学物理与材料科学系参考文献1 Tu P L,Chan Yan C,Lai J K L.Effect of Intermetallic Compounds on the Thermal Fatigue of Surface Mount Solder Joints.IEEE Transactions on components,packaging,and manufactruing technology-PartB,1997,20(l):87 932 Alex C K So,Chan Yan C.Reliability Studies
11、 of Surface Mount Solder Joints-Effect of Cu-Sn Intermetallic Compounds.IEEE Transactions on components,packaging,and manufacturing technology-Part B,1996， 19(3)： 661 6683 Tang Q H, Chan Y C. Electrical and Fatigue Failure Properties of Plastic Ball Grid Array Assemblies Effect of Thermal Shock. The
12、Third Pacific Rim International Materials and Processing,1998,2(7):268326886回复：IPC-A-610E标准培训8月2325日即将在上海开课0 前言在SMT生产中，BGA、QFN、CSP等无引脚的元器件，在进行焊接时，无论是回流 焊接还是波峰焊接，无论是有铅制程还是无铅制程，冷却之后 都难免会出現一 些在所难免的空洞（气泡）现象的产生。焊点內部发生空洞的主要成因是FLUX 中的有机物经过高溫裂解后产生的气泡无法及时逸出。在回流区FLUX已经被消 耗殆尽，锡膏的粘度发生了较大的变化，此时锡膏之中的FLUX发生裂解，导致 高
13、溫裂解后的气泡无法及时的逸出，被包围在锡球中，冷却后就形成空洞現象。 目前，一般使用X-Ray设备进行检查空洞的面积，通过X-Ray都可以看到焊球的 空洞分布狀況。只要有些器件空洞所占面积的比例不是很 大，常常认为是符合 接受标准标准（如IPC-A-610D 8.2.12.4），因此在检验时沒有引起足够的重视。 在众多的空洞现象中发现，产生空洞现象与焊料本身的表面张力有着直接的联 系。锡膏的表面张力越大，高温裂解的气泡越难逸出焊料球，气泡被团团包围在 锡球之中（无铅焊料的表面张力达到4.60X10-3 N/260 C），表面张力越小，高 温裂解后的气泡就很容易逃出焊料球，被锡球团团包围的机率就
14、相当小（有铅焊 料的表面张力达到 3o80X10-3 N / 260 C,Sn63-Pb37, m.p 为 183 C）。已经 陷入高温裂解的气泡，在有铅焊料密度较大（约8.44 g/cm3） 的情况之下，焊 料中的合金在相互挤压下，有机物就会向外面逃脱，所以有机物残留在焊点中的 机率是相当小的，但是无铅就完全不一样了。比重不但比有铅小，而 且无铅的 表面张力又比有铅高出很多，同时熔点又比有铅高出34 C之多（Sn63-Pb37，熔 点为183 C, SAC305熔点约为217 C），在种种环境不利的情况下，无铅焊料 中的有机物就很难从焊球中分解出来，有机物常常被包围在焊球中，冷却后就会 形成
15、空洞现象。从焊点的可靠度来讲，空洞现象会给焊点带来不可估计的风险，同时空洞现象比 较严重的话，还影响焊点的电气连接，影响电路的畅通。所以空洞现象必须引起 SMT业界人士的高度重视。1 空洞的验收标准业界空洞的验收标准大部分都没有确定，从IPC-A-610D版本中的一些初步的定 义（8.2.12.4 表面安装阵列-空洞），我们可以得出以下一些结论：从设计上减 少空洞的产生，即焊盘上的微孔不在此标准考虑的范围之内。空洞的标准由客户 和制造商之间协 商。制造商可以利用各种实验分析的结果，制定最终空洞的验 收标准。可接受-1，2，3级空洞小于25%焊球X-Ray射线图像的面积。缺陷-1，2，3级空洞大
16、于25%焊球X-Ray射线图像的面积。以上IPC中只是提到BGA空洞验收标准，但是在众多的国际大厂中又有许多厂家 是不承认此标准的，即比此标准更加严格，更加苛刻。例如，IBM认为BGA的空 洞面积不可超过15%，如果超过了20%就会影响焊点的可靠度，影响焊点的使用 寿命。当然，空洞面积越小越好，更小的空洞面积需要更强的工 艺去支持。但 是IPC-A-610D中却没有对QFN的气泡（空洞）做相应的规定，对于这一点IPC 却没有说明，真是遗憾！现阶段有许多 QFN 器件是用在 光纤通信领域中，这对 气泡要求是相当高的。2 空洞的成因与改善2.1 助焊剂活性的强弱影响 前面已经论述过，空洞现象的产生主要是助焊剂中的有机物经过高温裂解后产生 气泡很难逸出，导致气体被包围在合金粉末中。从过程中可以看出，关键 在有 机物经过高温裂解后产生的
