電子元件可靠性

1、可靠性l可靠性基本概念：l產(chǎn)品在規(guī)定的時(shí)間、規(guī)定的條件下，完成規(guī)定功能的能力。l可靠性量化定義-可靠度（概率R）可靠度R(t):表示在規(guī)定的條件下使用一段時(shí)間t后，完成規(guī)定功能的概率。累積失效概率F（t）：表示產(chǎn)品在規(guī)定條件下工作到t這段時(shí)間內(nèi)的失效概率。F(t)+R(t)=1浴盆曲線可靠性水平的描述：威布爾分布（weibull）失效率較高，但失效率隨時(shí)間增加而下降。良好的使用階段。壽命即將終止。焊點(diǎn)的基本作用-互連機(jī)械支撐：固定元器件電氣連接：傳導(dǎo)電信號(hào)引腳數(shù)越來(lái)越多單位面積的發(fā)熱量越來(lái)越大引腳間距越來(lái)越小導(dǎo)致焊點(diǎn)尺寸越來(lái)越小焊點(diǎn)就稱為最薄弱的環(huán)節(jié)焊點(diǎn)的可靠性問(wèn)題也越來(lái)越突出。由于環(huán)保的要求

2、 ，采用無(wú)鉛焊料，主要以錫基為主的焊料合金，如Sn-0.7Cu Sn-3.5Ag 、Sn-3.5Ag-0.5Cu（SAC305）等無(wú)鉛焊料，其中以SAC305作為凸點(diǎn)焊料廣泛應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)芯片與基板的冶金和電氣互連。如果焊點(diǎn)不可靠?？煽啃栽囼?yàn)的基本內(nèi)容l 根據(jù)焊點(diǎn)的主要失效模式與可能遇到的環(huán)境應(yīng)力來(lái)確定：焊點(diǎn)的可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)l IPC-SM-785 Guidenlines for Acclelrated Reliability Testing of Surface Mount Attachments表面安裝焊接件加速可靠性試驗(yàn)導(dǎo)則l IPC-9701 Performance Test Metho

3、ds and Qualification Requirements for Surface Mount Solder Attachments 表面安裝焊件性能試驗(yàn)方法與鑒定要求l IPC-TM-650 Test Methods Manual實(shí)驗(yàn)方法手冊(cè)主要的可靠性試驗(yàn)方法焊點(diǎn)的主要失效模式l 主要失效模式：l熱失效（熱循環(huán)、熱沖擊）l機(jī)械失效（過(guò)載與沖擊失效、振動(dòng)失效）l電化學(xué)失效（電偶腐蝕、枝晶生長(zhǎng)、導(dǎo)電陽(yáng)極絲（CAF）生長(zhǎng)、錫須）芯片鍵合l影響芯片鍵合熱疲勞壽命的因素l芯片尺寸 尺寸越大，由熱膨脹導(dǎo)致的塑性應(yīng)變?cè)酱髄焊點(diǎn)形狀（鼓形壽命最低，腰鼓形最高） 影響焊點(diǎn)內(nèi)部的應(yīng)力分布和塑性應(yīng)變范圍

4、l界面的金屬間化合物 脆性的金屬間化合物可能影響疲勞壽命l釬料合金的力學(xué)性能 合金的蠕變特性是影響熱疲勞壽命的關(guān)鍵因素可能的芯片開(kāi)裂的模型1是由彎曲應(yīng)力引起的芯片中間開(kāi)裂2是由邊緣應(yīng)力引起的芯片拐角開(kāi)裂當(dāng)芯片邊緣存在切割時(shí)留下的劃痕及毛刺是，失效更容易發(fā)生。隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，金屬間化合層的厚度逐漸增加，強(qiáng)度有所降低。封裝互連l 工藝可靠性l 生產(chǎn)組裝過(guò)程l 由于焊前準(zhǔn)備、焊接過(guò)程及焊后檢測(cè)等設(shè)備條件的限制，以及焊接規(guī)范選擇的人為誤差，常造成焊接故障，如虛焊、焊錫短路及曼哈頓現(xiàn)象等l 服役過(guò)程l 由于不可避免的沖擊、振動(dòng)等也會(huì)造成焊點(diǎn)的機(jī)械損傷。l 過(guò)度的超聲波清洗也可能對(duì)焊點(diǎn)的可靠性有影響。

5、IMC對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響l 當(dāng)熔融的焊錫與焊盤和元器件焊端金屬相接觸時(shí)，在界面會(huì)形成金屬間化合物（Inter Metallic Compounds）。l 由于金屬間化合物熔點(diǎn)高，晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性較低，比較脆。 l 優(yōu)點(diǎn)：金屬間化合物的形成是焊接質(zhì)量可靠的標(biāo)志，良好的焊點(diǎn)連接（3um）l 缺點(diǎn)：過(guò)厚的金屬間化合物層的存在會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)斷裂、韌性和抗低周疲勞能力下降，從而導(dǎo)致焊點(diǎn)的可靠性降低。BGA結(jié)構(gòu)SAC305/Cu焊點(diǎn)在217度等溫失效后界面IMC顯微組織5分鐘240分鐘120分鐘30分鐘柯肯達(dá)爾空洞（Kirkendall void）（隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，空洞組件增多，其分布位置也逐漸由Cu6Sn

6、5層向Cu3Sn層轉(zhuǎn)移）會(huì)使焊點(diǎn)強(qiáng)度降低，Cu6Sn5相和Cu3Sn相的熱膨脹系數(shù)差異過(guò)大，在溫度載荷作用下，兩相界面的區(qū)域容易成為應(yīng)力集中區(qū)。晶界溶蝕程度逐漸加深，晶界凹槽逐漸向下延伸界面Cu6Sn5兩晶粒間已經(jīng)基本斷開(kāi)，其晶界凹槽低端幾乎與Cu基底接觸BGA結(jié)構(gòu)SAC305/Cu焊點(diǎn)在230度等溫失效后界面IMC顯微組織5分鐘240分鐘120分鐘30分鐘在相同時(shí)效時(shí)間下，焊點(diǎn)界面處Cu6Sn5晶界溶蝕程度減弱，同時(shí)柯肯達(dá)爾空洞幾乎僅出現(xiàn)在Cu3Sn層內(nèi)。l 片狀的Ag3Sn會(huì)對(duì)焊點(diǎn)延展性和抗疲勞造成不利影響。而它的形成取決于：l Ag的濃度：高濃度Ag有利于Ag3Sn的形成，故Ag的含量最

7、好低于3wt%。l 冷卻速率：Ag3Sn的生長(zhǎng)需要液相中Ag和Sn原子的擴(kuò)散，相對(duì)較慢的冷卻速率會(huì)賦予Ag3Sn生長(zhǎng)的時(shí)間更長(zhǎng)。l Cu的含量：焊點(diǎn)中銅的含量會(huì)促進(jìn)大片裝的生產(chǎn)。溫度循環(huán)l 影響焊點(diǎn)長(zhǎng)期可靠性的一個(gè)重要因素是焊點(diǎn)在溫度變化過(guò)程中的失效。在不斷的升降溫過(guò)程中，由于各種材料的熱膨脹系數(shù) (CTE) 不同 。使得焊料 、基板承受不同的應(yīng)力應(yīng)變 ，導(dǎo)致器件變形。焊點(diǎn)在溫度循環(huán)過(guò)程中反復(fù)的應(yīng)力應(yīng)變將導(dǎo)致焊點(diǎn)中裂紋的萌生和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致焊點(diǎn)的失效 。按IPC試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采取如下方法：低溫: 0 C, 10 分鐘 高溫:100 C 10 分鐘分鐘降溫冷卻到低溫1.整個(gè)循環(huán)時(shí)間約在一個(gè)小時(shí)左右

8、l 1.在溫度循環(huán)過(guò)程中界面會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，此時(shí)在Cu6Sn5和Sn之間出現(xiàn)了Cu3Sn層。隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加，Cu3Sn層的厚度明顯增加l 2.溫度循環(huán)對(duì)力學(xué)性能的影響l 隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加， 焊點(diǎn)的拉伸力明顯下降。l 主要是在熱循環(huán)過(guò)程中由于IMC不斷長(zhǎng)大， 由于IMC的生成會(huì)在焊點(diǎn)內(nèi)部留下“ 空洞” 等缺陷， 在拉伸過(guò)程中，“ 空洞” 會(huì)演化成裂紋源， 從而導(dǎo)致焊點(diǎn)拉伸力的下降。l 溫度循環(huán)（熱沖擊）晶須的發(fā)生和生長(zhǎng)l Sn晶須生長(zhǎng)的基本動(dòng)力是在室溫附近的Sn或者合金元素的異常迅速的擴(kuò)散。l 溫度循環(huán)晶須的生長(zhǎng)是因?yàn)闇囟妊h(huán)試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力高速變化的鍍層變形，晶須高速生長(zhǎng)。 在服役過(guò)

9、程中，在循環(huán)應(yīng)力的作用下，大塊脆性的Ag3sn會(huì)導(dǎo)致在焊點(diǎn)中產(chǎn)生缺陷，引起應(yīng)力集中，降低焊點(diǎn)的強(qiáng)度和循環(huán)壽命。l 錫須的分類冷卻速率的影響焊點(diǎn)的自然凝固焊點(diǎn)的自然凝固 凝固結(jié)晶是物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程。金屬的凝固過(guò)程再流焊接過(guò)程中也會(huì)存在一定的可靠性問(wèn)題，以下著重說(shuō)一下冷卻速率的影響。液態(tài)金屬冷卻到凝固溫度時(shí)，首先產(chǎn)生晶核，繼續(xù)冷卻，晶核吸收周圍的原子而長(zhǎng)大，同時(shí)新的晶核不斷形成和長(zhǎng)大，使相鄰晶體彼此接觸，液態(tài)金屬完全消失，得到許多形狀、大小和晶格位向不相同的小晶粒組成的多晶體。從凝固過(guò)程的實(shí)時(shí)觀測(cè)可知， Sn-Ag-Cu共晶液滴的凝固從周邊開(kāi)始，瞬間即到達(dá)中央，最終凝固的是頂上白色的部分

10、 由于液滴的凝固從周邊開(kāi)始，如果冷卻速率過(guò)快，在樹(shù)枝晶生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，于是產(chǎn)生熱裂紋，在最終凝固區(qū)發(fā)生縮松和龜裂。 但是冷卻速率也不易過(guò)低，因?yàn)楦叩睦鋮s速率可以使微觀組織細(xì)化，提高焊點(diǎn)的強(qiáng)度。l 由于微連接的特殊性，使焊縫金屬在結(jié)晶過(guò)程中，由于來(lái)不及擴(kuò)散而存在著嚴(yán)重的化學(xué)成分的不均勻性。l 在焊縫內(nèi)部，存在著嚴(yán)重的顯微偏析和區(qū)域偏析，尤其是在母材與焊料的界面，由于液/固相之間的相互溶解和擴(kuò)散，存在著嚴(yán)重的成分偏析。l 焊點(diǎn)剝離，無(wú)鉛合金的熱膨脹系數(shù)和基板之間的差別大，導(dǎo)致焊點(diǎn)固化時(shí)在剝離部分由太大的應(yīng)力而使它們分開(kāi)。l 一方面較大的冷卻速度能夠抑制偏析，從而抑制剝離；l 另一方面冷

11、卻速度越大，焊料的變形速率越大，越易于促進(jìn)焊點(diǎn)開(kāi)裂。另外，必須在焊料液相線溫度以上采取急冷措施才能有效抑制偏析。l 冷卻速率對(duì)機(jī)械性能 、潤(rùn)濕性能 、抗蠕變性能和焊點(diǎn)循環(huán)壽命等有影響。板狀的Ag 3Sn較硬，當(dāng)Ag含量超過(guò)3.2wt%以后（出現(xiàn)過(guò)共晶成分）拉伸強(qiáng)度降低，容易造成疲勞壽命降低。 在再流焊接熔化過(guò)程中快速長(zhǎng)大，而且銀含量越高，板狀的Ag3Sn相越多。 若減小焊后冷卻速率，板狀的Ag3Sn可以穿過(guò)整個(gè)焊接接頭的橫截面，嚴(yán)重影響了接頭在承受熱應(yīng)力是的力學(xué)性能。金對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響l 由于金優(yōu)良的穩(wěn)定性和可靠性，成為最常用的表面鍍層金屬。l 作為焊料里的雜質(zhì)，金對(duì)焊料的延展性是非常有害的。l 因?yàn)楹噶现袝?huì)形成脆性的Sn-Ag金屬間化合物（AuSn4）。l 雖然低濃度的AuSn4能提高焊料的機(jī)械性能，當(dāng)超過(guò)4%時(shí)，拉伸強(qiáng)度和失效時(shí)的延伸量都會(huì)迅速下降。無(wú)鉛焊料的表面處理有OSP 化學(xué)鎳金、化學(xué)、熱風(fēng)整平、化學(xué)鍍錫等。環(huán)境和化學(xué)因素l環(huán)境 電子封裝工作時(shí)產(chǎn)生的直流電位、溫度 水分吸附于材料表面，溶解及其、空氣中的離子物質(zhì) 封裝材料的核輻射如氧化鋁陶瓷的a粒子輻射 塑料封裝為非氣密性封裝l化學(xué)失效機(jī)理： 電化學(xué)腐蝕 應(yīng)力腐蝕斷裂 應(yīng)力腐蝕疲勞l結(jié)果： 封裝內(nèi)部引線鍵合界面發(fā)生腐蝕失效 腐蝕導(dǎo)致互連線截面積減小，