微連接第4章焊點(diǎn)缺陷講述課件

1、微電子封裝與組裝焊點(diǎn)的可靠性與測(cè)試材料成型與控制系1第四章 影響連接焊點(diǎn)可靠性的缺陷21. 影響可靠性的二級(jí)互連焊焊點(diǎn)缺陷1）墓碑現(xiàn)象(Tombstone)及元件歪斜墓碑現(xiàn)象和元件傾斜3發(fā)生情況：主要出現(xiàn)于重量較輕的片式無源元件， 墓碑現(xiàn)象：再流焊中片式元件經(jīng)常出現(xiàn)立起的現(xiàn)象， 稱之為立碑，又稱之為吊橋。4發(fā)生原因： 元件兩端出現(xiàn)非同步潤(rùn)濕。先潤(rùn)濕的一端在焊料界面 張力的作用下克服元件自身重力而將元件牽引抬起。 元件兩端焊接面的物理狀態(tài)出現(xiàn)差異，如受熱不均或兩 端錫膏不均等導(dǎo)致一端的錫膏先熔化、元件兩端焊盤的 可焊性差異等-非同步潤(rùn)濕 無鉛釬料更易立碑-因?yàn)槠溆懈叩慕缑鎻埩Γ?氮?dú)獗Ｗo(hù)將增大

2、焊料/元件焊接端的界面張力 元件兩端潤(rùn)濕力不平衡：兩端錫膏不均等5解決辦法：控制非同步潤(rùn)濕及潤(rùn)濕力不平衡 調(diào)整不合理的焊盤設(shè)計(jì)與布局 避免一側(cè)焊盤面積過大和PCB表面溫差過大 改善錫膏活性與印刷 錫膏活性不高或元件可焊性差，錫膏熔化后表面張 力不同-焊盤潤(rùn)濕力不平衡； 錫膏印刷量不均勻，多的一邊會(huì)因錫膏吸熱量增 多，熔化時(shí)間滯后-非同步潤(rùn)濕。 調(diào)整貼片參數(shù) 貼片壓力不均勻-元件浸入到錫膏中的深淺 不一,錫膏外露量不同-元件的遮蔽效應(yīng)不同- -非同步潤(rùn)濕； 貼片精度不高、元件移位直接導(dǎo)致立碑發(fā)生。6 調(diào)整爐溫曲線 通常最少應(yīng)測(cè)量三個(gè)點(diǎn)： 1) 焊點(diǎn)溫度 2) PCB表面溫度 3) 元件表面溫度。

3、7 2) 橋連缺陷（Solder bridge） 橋連-焊后相鄰焊點(diǎn)通過釬料連接在一起，導(dǎo)致 短路，波峰焊中最為常見。8波峰焊橋連發(fā)生原因： 元器件引腳排列方向做到與波峰焊時(shí)的傳送帶運(yùn)動(dòng) 方向一致。如垂直，易形成大量焊點(diǎn)橋連。 焊接溫度低，焊料流動(dòng)性差；助焊劑活性不足，一般增 加助焊劑活性有助于減少橋連缺陷； 焊盤間距過小，焊盤內(nèi)徑與引線外徑比值過大等； 元器件引線伸出過長(zhǎng)，引腳間多余焊料不易流出； 9Sn-0.7Cu波峰焊的更大比例的橋連現(xiàn)象 Sn0.7Cu波峰焊產(chǎn)生橋連原因示意圖Ni在Sn0.7Cu無鉛釬料波峰焊中降低橋連發(fā)生率的作用機(jī)理10 錫膏粘度低，預(yù)熱時(shí)焊料漫流到焊盤外； 錫膏印刷

4、量偏多；印刷精度差，印到焊盤外； 元器件貼放壓力過大，錫膏受壓后漫流到焊盤外； 預(yù)熱升溫過快，助焊劑中溶劑來不及揮發(fā)，焊料飛濺。再流焊橋連發(fā)生原因：113) 虛焊/（開路） 虛焊：釬料和基體金屬的界面處沒有形成適量的合 金層,就可定義為虛焊。在顯微組織上虛焊的 界面主要是氧化層，而不是銅錫化合物薄層。 缺陷外觀：焊點(diǎn)表面無光澤(失去釬料原有金屬光澤 和光滑度)或表面呈顆粒狀。 虛焊降低焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度、使導(dǎo)電性變得不良，導(dǎo)致焊 后早期失效，早期返修率高。 12 a) 釬焊溫度低，釬料流動(dòng)性差-界面原子擴(kuò)散不充 分，不能形成良好的IMC合金層； b) PCB焊盤或元器件引線表面氧化、污染，表面自由能

5、 高，起隔離原子的作用； c) 料槽溫度過高，釬料表面氧化，或預(yù)熱溫度高引腳 表面氧化-附著力減?。?d) 焊接時(shí)間過長(zhǎng)-產(chǎn)生弱潤(rùn)濕，即IMC層大且厚，焊 料對(duì)其潤(rùn)濕比對(duì)母材潤(rùn)濕更難； e) 錫膏印刷不足 f) 引腳共面性差（QFP）； 產(chǎn)生原因：134) 錫珠(Solder bead)類缺陷 容易與錫球類缺陷混淆-二者的外觀特征都是一個(gè) 個(gè)獨(dú)立于焊點(diǎn)之外的焊錫球，尺寸小-錫 珠，尺寸大 的為錫球。14 (a) (b) (c) (d) 錫珠缺陷形成機(jī)理(e)15當(dāng)PCB離開焊料波峰時(shí)，由于表面張力的作用焊料最初是粘附在引腳表面鍍層上（圖a） ；b) 直到重力分量增加到可以克服表面張力之后-焊料

6、與元件引腳分離（圖b）；c) 回到錫槽中的焊料會(huì)激起一些液態(tài)焊料飛濺-猶如在水中投入一粒石子會(huì)激起水花一樣（圖c和d）；d) 一些小的焊料顆粒最終附著在PCB表面，形成錫珠缺陷（圖e）。16 分布特征： 白色或灰色的小顆粒-主要出現(xiàn)在插裝元器件的引腳 附近，而沒有焊盤通孔的區(qū)域極少發(fā)現(xiàn)。 氮?dú)獗Ｗo(hù)可能增加錫珠缺陷： 氮?dú)饧兌雀邥r(shí)，焊料表面幾乎沒有氧化物存在- “石子”效應(yīng)會(huì)更劇烈，激起更多的液態(tài)焊料顆粒飛 濺成為錫珠。17 解決方法關(guān)鍵在于PCB表面的阻焊膜(Solder mask)，應(yīng)使阻焊膜與錫珠之間不能形成良好的附著。 增加PCB的表面粗糙度-減小錫珠與印刷電路板表面的接觸面積-利于錫珠

7、回落到錫槽中去。185) 錫球(Solder ball)缺陷再流焊的錫球缺陷 與錫珠相比，錫球的特點(diǎn)就是尺寸更大，-更多出現(xiàn) 在回流焊中 19 極少在波峰焊中出現(xiàn)，-最可能的原因是PCB與焊料 波峰接觸時(shí)有大量氣體揮發(fā)-導(dǎo)致大塊液態(tài)焊料 飛濺。 20氣體的來源： a） PCB中的潮氣，可通過事前烘干來解決； 產(chǎn)生原因： 回流焊或波峰焊中存在氣體導(dǎo)致焊料飛濺b） 助焊劑中有未在預(yù)熱階段揮發(fā)完全的殘余溶劑， 這可以通過提高預(yù)熱溫度或增加預(yù)熱時(shí)間來解 決。216) 焊點(diǎn)拉尖缺陷（Solder flag/Solder spike） 拉尖是指焊料不是圓滑的包裹元器件引線，而是在局 部向外伸出，看起來像一

8、面小旗幟一樣，這也是其英 文名稱為 solder flag 的原因。 22 引腳附近助焊劑活性不足或者助焊劑涂覆量不夠； 元器件引腳端可焊性不好； 元器件引線受熱不足。這主要出現(xiàn)于某些質(zhì)量較大 的元器件，熔融焊料傳遞過來的熱量更多地被元器 件吸收，而引線自身溫度較低，當(dāng)與波峰分離時(shí)， 其附近焊料流動(dòng)性差而導(dǎo)致拉尖。 拉尖缺陷的主要原因237) 芯吸現(xiàn)象 芯吸現(xiàn)象是焊料脫離焊盤沿引腳上行到引腳與芯片本體 之間、會(huì)形成嚴(yán)重的虛焊現(xiàn)象。 芯吸現(xiàn)象又稱抽芯現(xiàn)象，多見于汽相再流焊中。24元件引腳的熱導(dǎo)率大，升溫迅速，以致引腳附近焊料優(yōu)先潤(rùn)濕，焊料與引腳之間的潤(rùn)濕力遠(yuǎn)大于焊料與焊盤之間的潤(rùn)濕力，故焊料上行

9、至引腳上。 產(chǎn)生的原因 在紅外再流焊中芯吸現(xiàn)象的概率?。?PCB基材與焊料中的有機(jī)助焊劑是紅外線的優(yōu)良吸收介 質(zhì)，而引腳卻能部分反射紅外線，相比而言，焊盤上焊料 優(yōu)先熔化，它與焊盤的潤(rùn)濕力大于它與引腳之間的潤(rùn)濕 力， 故焊料不會(huì)沿引腳上升。25在汽相再流焊時(shí)應(yīng)首先將電路板充分預(yù)熱后再放入汽相爐中；b) 應(yīng)認(rèn)真檢查和改善PCB板焊盤的可焊性;c) 元件引腳上翹更會(huì)加劇芯吸現(xiàn)象的發(fā)生 ，應(yīng)保證元件引腳的共面性。 解決辦法268) 針孔/氣孔類缺陷 針孔(Pin hole)缺陷是指焊點(diǎn)外觀上的小孔，而氣孔 (Blow hole)是指較大的存在于焊點(diǎn)內(nèi)部的孔。 缺陷產(chǎn)生原因及解決方法： a) 在于印刷

10、電路板內(nèi)部有潮氣，在焊接過程中受到高 溫而蒸發(fā)出來。解決方法是焊前在120C條件下烘 干印刷電路板2小時(shí)左右。 b) 電路板或者元器件引腳存儲(chǔ)過程中沾染了外部有機(jī) 物，有機(jī)物在焊料波峰的高溫時(shí)釋放出氣體；可以 通過溶劑清洗來解決。 c）元器件或PCB制造過程中通常存在電鍍工序，電鍍 時(shí)使用過量的光亮劑，經(jīng)常與金屬同時(shí)沉積在鍍層 表面，焊料波峰的高溫時(shí)也會(huì)揮發(fā)釋放出氣體。 27289) 焊點(diǎn)剝離現(xiàn)象（Fillet-lifting或Lift-off) 焊點(diǎn)剝離是指釬焊后釬接圓角（fillet）從焊盤上升起 的現(xiàn)象，是無鉛釬料應(yīng)用于通孔波峰焊時(shí)出現(xiàn)較多的缺 陷之一。29 發(fā)生情況： 在含有鉍元素或存

11、在鉛污染的無鉛焊點(diǎn)中發(fā)生率極高。 Bi添加量在2時(shí)就有剝離現(xiàn)象發(fā)生，添加量達(dá)到5時(shí) 剝離的概率達(dá)到100 30Sn-Bi-Ag-Cu通孔焊點(diǎn)剝離現(xiàn)象(剝離發(fā)生在釬料與界面金屬間化合物(IMC)之間) 發(fā)生機(jī)制31 1) 金屬學(xué)因素分析 (Sn-2.0Ag-0.5Cu-7.5Bi)焊盤外邊緣釬縫剝離斷面形貌和成分32焊盤中部B區(qū)的斷面形貌和成分33焊盤拐角附近C區(qū)的斷面形貌和成分34拐角區(qū)大量縮孔的存在證明該區(qū)發(fā)生凝固延遲35 a)低熔點(diǎn)相的形成 b)組織薄弱區(qū)的形成 c)鉍偏析的作用: 使拐角區(qū)發(fā)生凝固延遲, 偏析越嚴(yán)重，拐角區(qū)釬料處于低塑性的固-液態(tài)時(shí)間越長(zhǎng),越有利于剝離的發(fā)生。Sn-Bi-

12、Ag-Cu焊點(diǎn)非平衡凝固晶內(nèi)偏析區(qū)域偏析拐角區(qū)低熔點(diǎn)相形成Bi富集縮孔拐角區(qū)(非焊盤外緣)凝固延遲低熔相形成固-液態(tài)低塑性36Sn-Bi-Ag-Cu焊點(diǎn)剝離可能發(fā)生在結(jié)晶后期，在偏析產(chǎn)生的低熔點(diǎn)相的液相線以上溫度期間。剝離可能起源于應(yīng)力應(yīng)變集中的焊盤拐角環(huán)形區(qū)域，并沿焊盤/釬料界面向外緣擴(kuò)展。綜上分析，區(qū)域偏析使焊盤拐角區(qū)釬料的液相線顯著降低、且釬料凝固延遲，凝固過程中較長(zhǎng)時(shí)間處于低塑性的固-液態(tài)和縮孔存在導(dǎo)致拐角區(qū)成為組織薄弱區(qū)，固-液態(tài)階段該區(qū)在小的應(yīng)變量時(shí)就可能發(fā)生開裂，拐角區(qū)開裂后應(yīng)力并未完全釋放，使焊盤外緣受力增加，當(dāng)應(yīng)變累積超過塑性變形能力后，開裂沿釬料/焊盤界面擴(kuò)展直至完全剝離。

13、 發(fā)生機(jī)制總結(jié)37 影響因素1) 鉛污染鉛污染對(duì)剝離的影響剝離斷面晶間物質(zhì)成分382) 冷卻速度冷卻速度對(duì)Sn-Bi-Ag-Cu焊點(diǎn)剝離的影響水冷焊點(diǎn)拐角釬料界面成分39a) 鉍含量增加剝離傾向增加。鉍在釬料中是強(qiáng)偏析元素，非平衡結(jié)晶使實(shí)際固相線向左下方偏移，固液共存溫度區(qū)間變大是較小鉍含量的焊點(diǎn)也發(fā)生剝離的原因。b) 鉛污染使含鉍釬料焊點(diǎn)剝離趨勢(shì)進(jìn)一步增加。結(jié)晶時(shí)鉍和鉛偏析到晶間形成低熔點(diǎn)相，固液共存溫度區(qū)間進(jìn)一步增大是剝離顯著增加的原因，冷卻速度對(duì)鉛污染焊點(diǎn)剝離的抑制作用更小。c) 抑制區(qū)域偏析使剝離傾向降低的同時(shí)，急冷也使材料變形速率迅速增大，應(yīng)力應(yīng)變?cè)龃?，使釬焊圓角表面開裂和剝離傾向增

14、加；急冷對(duì)缺陷的抑制起兩方面互相矛盾作用。d) 避免鉛污染，降低鉍含量并適當(dāng)增大冷卻速度是目前比較有效的措施。 影響因素總結(jié)4010) Sn晶須 引線上SnCu涂層的Sn晶須生長(zhǎng)的電鏡照片 晶須很直，大多數(shù)錫須表面在長(zhǎng)度方向上顯示出有規(guī) 則的條紋 ，晶須的直徑大約是幾個(gè)微米，與Sn涂層 的晶粒尺寸相當(dāng)。 41 不規(guī)則形狀的錫晶須增長(zhǎng)率范圍在0.03-9mm/year；直徑范圍在1-4m， 大多數(shù)錫須長(zhǎng)度為幾個(gè)微米，少數(shù)可以達(dá)到10 mm。42 Sn晶須足以使管腳之間形成短路，成為一個(gè)可靠性問題 發(fā)生情況： SMT中引線被涂以一層SnPb共晶以起到鈍化作用和促 進(jìn)在重熔過程中的釬料反應(yīng)。當(dāng)涂層被

15、無鉛釬料 （SnCu共晶）所取代時(shí)，涂層上發(fā)現(xiàn)大量的晶須。 43 1) 電鍍時(shí)高的電流密度產(chǎn)生高的殘余應(yīng)力； 2) 基底的機(jī)械加工過程如冷卻、鍛造、穿孔、沖壓等在 電鍍之前產(chǎn)生很高的殘余應(yīng)力 ； 3) 溫度循環(huán)：鍍Sn層與基底材料的熱膨脹系數(shù)不匹配； 基底元素如Zn或Cu可能會(huì)擴(kuò)散到Sn層，擴(kuò)散可能優(yōu)先 沿著 Sn層的晶粒邊界，從而產(chǎn)生壓應(yīng)力 ； 4) 金屬間化合物的形成（如Cu6Sn5）可能改變鍍Sn層的 晶格間距 ； 壓應(yīng)力的來源（機(jī)械、熱、或化學(xué)作用）44鍍Sn層的壓應(yīng)力驅(qū)動(dòng)晶須的形核和長(zhǎng)大;鍍層內(nèi)的壓應(yīng)力能夠沿著晶粒邊界撕裂鍍層外表面的氧化錫層，Sn晶須被認(rèn)為是被壓力從底部推出并生長(zhǎng)，

16、從而導(dǎo)致錫須形成。晶須的生長(zhǎng)有利于基體中的壓應(yīng)力的釋放。 產(chǎn)生原因與機(jī)理45Cu-Sn擴(kuò)散CuSn IMC室溫壓應(yīng)力Sn原子的移動(dòng)晶須壓應(yīng)力得到釋放1.表面存在氧化物及其厚度不能太厚2.46 產(chǎn)生條件 1）鍍層內(nèi)部壓應(yīng)力； 2）為了產(chǎn)生局部生長(zhǎng)，鍍層表面要覆蓋著氧化 物，即整個(gè)表面不能都是自由的表面； 而 且表面氧化膜保護(hù)層不能太厚，晶須能夠穿 透某些局部的薄弱部位而得到長(zhǎng)大以釋放應(yīng) 力47 防止Sn晶須的生長(zhǎng)，現(xiàn)在還沒有具體明確的方法 基底材料和/或基板材料選用抗擴(kuò)散性物質(zhì)（如Ni）能夠明顯降低須晶的增長(zhǎng)，通常的做法就是在Sn和Cu間電鍍一薄層Ni一擴(kuò)散阻礙層， 這種方法之所以有效是由于室溫

17、下Sn與Ni間的反應(yīng)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于Sn和Cu間的反應(yīng)。b) 另一種可采用的方法就是使用Cu-Sn化合物作為擴(kuò)散阻礙層。將引腳在100-150C下加熱30 min在Cu和Sn間形成Cu6Sn5和Cu3Sn金屬間化合物層，從而可以有效地阻止室溫下的擴(kuò)散。48c) 鍍層厚度0.5m或20um可以抑制晶須的形成；升高溫度，有利于擴(kuò)散和金屬間化合物的形成，從而增加須晶的形成；但另一方面，升高溫度可以降低涂層應(yīng)力，減少須晶形成; 最利于須晶增長(zhǎng)的溫度為50，另一研究最利于的溫度在2225。須晶在高于150時(shí)停止增長(zhǎng)，但在低于-40時(shí)仍有發(fā)生。492. 影響可靠性的一級(jí)互連缺陷501） 金屬化層的電遷移現(xiàn)象 電

18、遷移是指在高電流密度（105106A/cm2）下金屬中的 質(zhì)量遷移的現(xiàn)象。 金屬化層抵抗電遷移能力是焊盤材料的主要評(píng)價(jià)參數(shù)之一， 是集成電路互連工藝中最主要的失效方式。 電遷移效應(yīng)的原理圖 51 互連A1膜的電子遷移圖中虛線表示沉積后的均勻Al膜。隨著A1遷移的發(fā)生，左邊的Al越來越薄經(jīng)過一定的時(shí)間之后，就會(huì)產(chǎn)生A1膜斷路的情況。 52 磁控濺射淀積的A1-05(wt)Cu和用蒸發(fā)淀積的 A1-05(wt)Cu的的電遷移53金屬離子的遷移速率R：R和電子動(dòng)量成正比，并與金屬導(dǎo)體的截面積成反比;電子動(dòng)量和電流密度J成正比 ；此外，金屬離子的運(yùn)動(dòng)由其自擴(kuò)散激活能Ed決定。一般是用導(dǎo)體的平均失效時(shí)間

19、 MTF (Mean Time of Failure)作為R的度量54 解決辦法 目前最好的解決辦法是把工作電流密度限制在105A/cm2以內(nèi)，從而完全避免電遷移效應(yīng)。加入銅、硅等雜質(zhì)，因?yàn)檫@些措施對(duì)晶粒尺寸影響很大，鋁中摻入4wt銅，可以使MTF提高10倍。552) FC釬料凸點(diǎn)中的電遷移測(cè)試溫度為100-140，焊點(diǎn)中平均應(yīng)用的電流密度從1.90-2.75104A/cm2。 電子遷移加速試驗(yàn)： 結(jié)果: 在陰極形成了空洞，并且Pb在焊點(diǎn)的陽(yáng)極聚集。 56電遷移的空洞發(fā)展過程試驗(yàn)溫度125，電流2.25104A/cm2(a) 37h (b) 38h (c) 40h (d) 43h57電子遷移失效行為通過電阻改變來監(jiān)測(cè) 58 芯片釬料焊點(diǎn)電子遷移失效模型59 產(chǎn)生原因 a) 釬料合金的低的熔點(diǎn)和高的擴(kuò)散率; 連接布線與釬料凸點(diǎn)之間界面,由于幾何形狀變化(截面小2到3個(gè)數(shù)量級(jí))而引起的較大的電流密度的變化; 在交界處形成很大的電流聚集。界面也是原子擴(kuò)散的發(fā)散面，成為電子遷移的失效區(qū)。 釬料焊點(diǎn)界面上電流分布60釬料焊點(diǎn)UBM上的厚Ni(P)層在電子遷移下的溶解(a) 電遷移試驗(yàn)前 (c) 在150、2.5A加速試驗(yàn)后失效電遷移的極性效應(yīng)：1）陽(yáng)極IMC-生長(zhǎng)，陰極溶解；2）陽(yáng)極釬料Pb聚集；3）厚UBM-電流聚集發(fā)生在UBM中陰極UBM溶解）61 平均失效時(shí)間（MTTF）等