载体金属化镀层对SMT软钎焊接头热循环可靠性的影响

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1993.03.028 第15卷第3期 北京科技大学学报 Vol.15 No.3 1993年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 1993 载体金属化镀层对SMT软钎焊接 头热循环可靠性的影响 黄继华 钱乙余**姜以宏* 裴佳莹*** 摘要：研制了一种用于SMT软钎焊接头热循环可靠性试验的热循环发生装置和一种SMT模 拟陶瓷芯片载体，用该热循环装置、模似芯片载体和统计学方法研究了芯片载体金属化镀层对 SMT软钎焊接头热循环可靠性的影 关键词：SMT、可靠性、热循环.陶瓷芯片载体，酸层 The Influence of Metal Plating of Chip Carrier on ” Reliability of SMT Solder Joints under Thermal Cycling" Huang Jihua'Qiun Yi'u'·Jiang Yihong、PeiJiaying· ABSTRACT:An experimental setup and a simulated ceramic chip carrier for study of the SMT solder joint reliability under thermal cycling have been developed.The influence of metal plating of chip carrier on the reliability of the SMT solder joints under thermal cy- cling has been studied statistically. KEY WORDS:SMT.thermal cycling,intermetallics.solder joint,reliability.metal plating 表面组装技术(Surface Mount Technology,简称SMT)是近年来新兴的一种高密度微 电子组装技术，它为电子产品的进一步微型化、薄型化和轻量化开辟了新的更广阔的前 景。但是随着SMT在各个领域，尤其是航天技术领域的应用和推广，SMT的可靠性问 题也越来越受到人们的关注。应用表明：SMT的可靠性问题主要是在热循环或功率循环 中由于无引线陶瓷芯片载体和基板间的热膨胀失配而导致的钎焊接头失效1~3》。在航天 技术中由于环境温度变化范围更大，钎焊接头的可靠性问题尤为突出4？。目前SMT软 +国家自然科学基金和博上点基金资助项 1992-09-17收稿第一作者：男，30岁.副教授，博士 *北京科技大学(University of Science and Technology Beijing **哈尔滨工业人学(Harbin Insttute of 1'echnology) ***桦林职工椁胶学院(Hualin Institute of Rubber Staf们

第 卷第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 一 年 月 。 ” 载体金属 化镀层对 软钎焊接 头热循环可靠性的影响 十 黄 继 华 ‘ 钱 乙 余 姜 以 宏 裴 佳 莹 ‘ 摘要 研 制 了 一 种 用 于 软 钎 焊接 头热 循环 可 靠性试验 的热循环 发 生 装置和 一 种 模 拟 陶 瓷 芯 片 载 体 ， 用 该热循环 装置 、 模拟芯 片载 体和 统计学方法研究 了 芯 片载体金 属 化镀层 对 软钎焊接 头 热 循环 可靠性 的 影 响 关键词 、 可 靠性 ， 热循环 陶瓷芯 片载体 ， 镀层 万 ，， ，况 ‘ ，， 尽 · “ 馆 五九。 吧 “ 尸 盯 塔 ’ ‘ ， ， ， ， 表面组装 技 术 盯 ， 简称 是 近年 来新 兴 的一 种 高 密度微 电 子组装 技 术 ， 它 为 电 子产 品 的 进 一 步微 型 化 、 薄型 化 和 轻量化 开 辟 了新 的 更 广 阔 的前 景 。 但是 随着 在 各 个领域 ， 尤 其是 航 天 技 术 领域 的应 用 和 推 广 ， 的可 靠性问 题也越来 越 受 到 人们 的 关 注 。 应 用 表 明 的 可 靠性 问题主 要 是 在热 循环或 功率循环 中 由于 无引线 陶 瓷 芯 片 载 体和 基 板 间 的热膨胀失 配 而导 致 的 钎焊接头 失效 〔 ’ 一 〕 。 在航天 技 术 中 由于 环 境 温 度 变 化范 围更 大 ， 钎 焊接头 的可 靠性 问题尤 为 突 出 间 。 目前 软 十 国 家 目 然 科学 基金 和 博士 点 基金 资 助项 日 一 一 收稿 第 一 作者 男 ， 岁 ， 副教授 博 士 ， 北京 科技大学 乡 厂 工 ‘ 哈 尔滨工业 人 学 、 ， ， 桦林职工 橡 胶学 院 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1993．03．028

·294· 北京科技大学学报 1993年No.3 钎焊接头热循环可靠性问题已成为微电组装技术领域最重要的研究课题之一。 研究表明，SMT软轩焊接头在热循环中的断裂是一个多种因素共同作用下的复杂的 失效过程，其影响因素除钎焊材料本身的性能以外，还有环境气氛和芯片载体金属化镀层 与钎焊材料间的界面行为等5~”。已有的研究在钎料的疲劳性能方面做了大量工作，而 芯片载体本身的金属化镀层对SMT软钎焊接头热循环可靠性的影响的研究则很少。本文 应用一种模拟陶瓷芯片载体和统计学的数据处理方法，在作者研制的热循环装置上研究了 芯片载体金属化镀层对SMT软钎焊接头热循环可靠性的影响。 1试验材料和试验方法 1.1SMT模拟芯片载体和SMT模拟组件的汽相钎焊 SMT软钎牌接头热循环可靠性主要与基板和芯片载体的平面膨胀有关，而与芯片载 体内部的具体结构无关。因而在研究SMT软钎焊接头热循环可靠性时可以不考虑陶瓷芯 片载体的内部结构，将芯片载体简化成一块陶瓷板。本文研究中所设计的模拟陶瓷芯片载 体如图1，陶瓷板边长为： L-号×005'+0.r (1) 式中n为模拟芯片载体的引线数。本文研 陶瓷 究中所用的模拟芯片载体的引线数为68 I/O和44【/O,其金属化镀层有镀金 (Au)和镀镍(Ni)两种。 金属镀层 热循环试验用的SMT模拟组件由上 述模拟陶瓷芯片载体和覆铜印刷电路板组 装而成。组装时采用汽相钎焊方法：温度 215℃，时间60~90s。钎料为63Sn+37Pb 共品焊将，其熔点为183℃。为保证良好 0.05°0.025 的仟焊质量，组装前模拟芯片载体和基板 均预浸松香洒精溶液。 12热循环发生装置 本文研究所用的热循环发生装置是作 图1SMT横型芯片载体 者研制的。热循环的冷、热温度是通过尚 Fig.1 Simulated chip carrier for SMT 期性地对工作室通人冷、热气流而获得的，其热循环温度范围，升、降温速率和循环周期 均可自动调节。该热循环发生装置的工作性能为： (1)最人循环温度范围：+200~-80℃； (2)最人升温速率：+100℃/min (3)最人降温速率：-60℃/min; (4)最大循环周期：99×2min: (5)控温误养：<±3℃。 1.3试验方法和数据处理

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 年 钎 焊 接 头 热循 环可 靠性 问题 己 成 为微 电 组装 技术领域最 重 要 的研 究课题之 一 。 研 究 表 明 ， 软钎 焊 接 头 在热循 环 中的 断 裂是 一 个多 种 因 素共 同作 用 下 的复 杂 的 失效 过 程 ， 其影响 因素除钎 焊 材料 本 身 的性 能 以 外 ， 还 有环境 气 氛和 芯 片载体金 属化镀层 与钎 焊 材 料 间 的 界 面 行 为等 〔 ’ 一 ， 。 已 有 的研究在钎 料 的疲 劳性能方 面做 了大 量工作 、 而 芯 片载 体 本 身 的金 属 化镀层 对 软钎 焊 接 头热循环 可靠性 的影 响 的研 究则 很 少 。 本 文 应 用 一种 模 拟 陶 瓷芯 片载 体 和统 计学 的数据 处理方法 ， 在作者 研制 的热循 环装 置 上研究 了 芯 片载 体金 属 化镀 层 对 软 钎焊接 头热 循环 可 靠性 的影 响 。 试验材料和试验方 法 模拟芯 片载体和 模拟组件的 汽相钎焊 软 钎 焊 接 头 热循 环 可 靠性 主 要 与基 板 和 芯 片载 体 的平 面膨胀 有关 ， 而 与芯 片载 体 内部 的 具体 结构 无关 。 因 而 在研 究 软钎焊 接 头热循环 可靠性时 可 以 不考虑陶瓷 芯 片载 体 的 内部 结 构 ， 将 芯 片载 体简化成 一块 陶 瓷板 。 本 文研究 中所设计 的模拟陶 瓷芯 片载 体 如 图 ， 陶 瓷板边 长为 乙 些 ‘ 式 中 为模 拟 芯 片载 体 的 引线 数 。 本 文 研 究 中 所 用 的 模 拟 芯 片载 体 的 引 线 数 为 和 ， 其 金 属 化 镀 层 有 镀 金 和 镀镍 两种 。 热 循 环 试 验 用 的 模 拟 组 件 由 述 模 拟 陶 瓷 芯 片载 体 和 覆铜 印 刷 电 路 板组 装 而 成 。 组 装 时 采 用 汽 相 钎 焊 方 法 温 度 ， 时 一 。 钎料 为 共 晶 焊 膏 ， 其 熔 点 为 ℃ 。 为保 证 良好 的 钎 焊 质 量 ， 组 装 前模 拟 芯 片载 体 和 基 板 均 预浸 松 香洒 精溶 液 。 热循环发生 装里 本 文 研 究 所 用 的热 循 环 发 生 装 置 是 作 者 研 制 的 。 热 循 环 的冷 、 热 温 度 是 通 过 周 期性 地 对 工 作 室通 人 冷 、 热 气 流 而 获 得 的 ， 金属镀层 二〕 圈 模型芯 片载体 其 热循环溢 度 范围 ， 升 、 降 温速 率 和循环周 期 均 可 自动 调 节 。 该热循 环 发 ’ 装 置 的 几作性能 为 最 大循环 温 度 范围 一 一 ℃ 最 人 升温 速 率 亡 最 大 降温 速 率 一 ℃ ， 最 大 循环 周期 控 温 误 差 《 士 ℃ 。 试验方法和 数据处理

Vol.15No3黄继华等：载体金属化镀层对SMT软钎焊接头热循环可靠性的影响 ·295· 用定时检查的办法在光学视体显微镜下进行钎焊接头的失效检查，钎焊接头的寿命 定义为失效前后两次检查时的热循环周数的平均值。即若某一接头在第周检查时未失 效，而第n(n>m)周检查时已失效，则定义钎焊接头的寿命为： N =m+n (2) 2 显然上述定义的绝对误差为： △N,≤(n-m)/2 (3) 本文试验中的检测间隔为10~20周。 2钎焊接头的失效分布函数 定义钎焊接头在第C周循环以前的失效概率： F(C)=P(N,125℃时，镀Ni载体的钎焊接头可靠性优于镀Au载 体。当其他条件相同，仅芯片载体的金属化镀层变化时，金属化镀层的变化对于SMT软 钎焊接头热循环可靠性的影响只可能由如下两种因素造成：(1)不同金属化镀层可钎焊性 的差异所引起的钎焊质量变化；(2)不同金属化镀层的物理化学性质差异所引起的金属化 镀层与钎料界面的金属化合物性质和生长速度的变化。由于A山的可钎焊性远优于Ni, 一般情况下镀Au载体钎焊接头质量好于镀Ni载体，因而当循环温度较低时，镀Au载 体钎焊接头的可靠性优于镀Ni载体（图2和2b),此时钎焊质量是影响接头可靠性的主 要因素，轩焊接头可靠性的变化主要表现在由于金属化镀层的变化所引起的钎焊质量的变 化.。当热循环温度较高(Tmax>125℃)时，金属化镀层和钎料间的扩散加快，金属化镀 层与钎料界面的金属化合物生长迅速，界面金属化合物层的开裂上升为影响SMT软钎焊 接头的重要因素。由于Au一SPb间的扩散速度及其界面的化合物生长速度远大于

黄继华等 载体金属化镀层对 软钎焊接头热循环可靠性的影响 · · 用 定 时检查 的 办 法 在 光学视 体显 微 镜下 进 行钎焊接 头 的失效 检 查 ， 钎焊 接 头 的 寿命 定 义 为失效前后 两 次检查 时 的热循 环 周 数的平 均值 。 即若某一 接头 在第 周 检查 时未 失 效 ， 而第 川 周 检查 时 已 失效 ， 则 定 义钎焊接头 的 寿命 为 川 十 刀 显然 上述定 义 的绝对误 差 为 蕊 。 一 本文试验 中的检测 间隔 为 一 周 。 钎焊接头的 失效分布函数 定 义钎焊接头在第 周循环 以 前 的失 效 概率 一 为钎焊接头 的失 效分布 函 数 。 型 的钎 焊接头在第 周 时 已 有 也可 称为钎 焊接头 的累积失 效 概率 。 个失 效 ， 则 ， 、 二 一 卿下 如 果 个 同类 当 足够大 时可 近似地取 为 、 罕 由可靠性理论 ， 失效分布 函 数 实 际上 反 映 了钎焊接头 的可 靠性 ， 即 二 一 为钎焊接头 可靠度 。 试验结果及讨论 图 给 出 了不 同循环温 度 下 镀 载体和镀 载 体钎焊接 头 热循环 失 效分布 函数 曲 线 。 很 明显 ， 当最 高热循环温度 几 ℃ 时 ， 镀 载体的钎焊接头可靠性 优于镀 载 体 当 最 高 热循 环 温 度 、 ℃ 时 ， 镀 载 体 的钎 焊接头 可 靠性 优 于 镀 载 体 。 当其他条件相 同 ， 仅芯 片载体 的金属 化镀层 变化 时 ， 金属 化镀层 的变化对于 软 钎焊接 头热循环可靠性的影 响只 可能 由如 下两种 因素造成 不 同金属 化镀层 可钎焊性 的差异 所引起的钎焊质量 变化 不 同金属化镀 层 的物理化学性质差异所 引起的 金属 化 镀 层 与 钎 料界 面 的金 属 化合物 性 质和 生 长 速 度 的变 化 。 由于 的可 钎 焊 性远 优于 ， 一般情况 下 镀 载 体钎 焊接头 质 量好 于镀 载 体 ， 因而 当循环 温 度 较低 时 ， 镀 载 体钎焊接头 的可 靠性优于 镀 载体 图 和 ， 此时钎焊质量是影响接 头可靠性 的 主 要 因素 ， 钎焊接头 可靠性 的变 化主 要表现在 由于金属 化镀层 的变 化所引起的钎焊质量的 变 化 。 当热循环温度较高 、 ℃ 时 ， 金 属 化镀 层 和钎料 间 的扩散加 快 ， 金 属 化镀 层 与钎 料界 面 的金 属化合物生 长迅 速 ， 界 面 金属 化合物层 的开 裂上升为影 响 软钎 焊 接 头 的 重 要 因 素 。 由 于 一 间 的 扩 散 速 度 及 其 界 面 的 化 合 物 生 长 速 度 远 大 于

·296 北京科技大学学报 1993年No.3 Ni-SPb间的扩散速度及其界面的化合物生长速度（如图3和图4）。因而当循环温度升 高时，镀Au载体的软钎焊接头可靠性由原来的优于镀Ni载体变成反而不如镀Ni载体 (图2c),尽管镀Au载体的钎焊接头质量优于镀Ni载体。 80a°4410铲金数体 ●44I0较镍截体 80o) 60 品 04410铵金孩体 电 丁44IO鲤解线体 汤 20 0 0 130 190 250 310 370 循环数 ●-◆8 60 120 180 240270 90 循环数 可44【/0镀金载体 图2SMT软钎焊接头热循环 ·440载体 失效分布曲线（恒温6min) 60 的 (a)-55~+100℃；b}-55~+125℃ (c)-55~+150℃ Fig.2 Failure distribution of SMT solder joints under thermal eycling 20 25 65 105 145 185205 循环数 15 oAu-SnPb ●Ni-SnPb 10 125m 0 100 200 300 E /sin 图3界面扩散层厚度与时间的关系 图4Au丝和钎料扩散层照片(125℃，24h) Fig.3 Relationship between the diffusion layer Fig.4 Cross-sectional metallograph of a solder ball thickness and time inserted a gold wire

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 年 一 间 的扩散速度及其界面 的化合物 生长速度 如 图 和 图 。 因而 当循环温度升 高时 ， 镀 载 体 的软钎 焊接头 可靠性 由原来 的优于镀 载体变成反而不 如镀 载体 图 ， 尽管镀 载体的钎焊接头质量优于镀 载体 。 岁︵劝公 “ 尹“ ’ 了 ‘ “ 载体 一一 “ 四 镀 镍载体 丫 ·尸尸少尸州 印 ︶叫︵岁 功 循环数 彻 ， 镀 金 载 讲 一 ’ 〕 镀镍 载 训 ， ， ‘ 门冲 叫 循环数 一仃 浑 镀金 载体 瑞 了 镀镍载 ’ 冷石 卜尸一一 ‘ 图 软钎焊接头热循环 失效分布曲线 恒温 卜 一 ℃ 卜 一 ℃ 一 一 ℃ 丫茶 循 环 数 厚 一 一 一 佗 。 洲 户 一 奋 一 万一一一 一 一 沂 ，‘， 图 界面扩散层厚度与时间的关系 劝 加 沁 日 柱 图 丝和钎料扩散层照片 ℃ ， 翻 一 址

Vol.15No.3黄继华等：载体金属化镀层对SMT软钎焊接头热循环可靠性的影响 ·297· 4结论 (1)当最高热循环温度Tma,125℃时，镀Ni载体SMT软钎焊接头热循 环可靠性优于镀Au载体。 (2)由于Au-SnPb间的扩散速度及其界面的化合物生长速度远快于Ni-SnPb间的 扩散速度及其界面的化合物生长速度、因而镀Au载体的SMT软钎焊接头热循环可靠性 比镀Ni载体对于温度更为敏感。 (3)如果能改善镀Ni载体的SMT软钎焊质量，则用Ni作为载体金属化镀层不仅可 以降低成本，而且还可以获得较高的热循环可靠性。 参考文献 1 Lau J H.Rice D W.Solid State Technology,1985,28:91 2 Engelmaier W.IEEE Trans,1983.CHMT-6(3):232 3 Sherry W M.Proceedings of the 35th Electronic Components Conference.Bosten: Hybrids and Manufacturing Technology Society,IEEE.1985 4 Boetti A.Proceedings of the 36th Electronic Components Conference.Los Angeles: Hybrids and Manufacturing Technology Society,IEEE.1986 5 Smeby J M.IEEE Trans,1985,CHMT-8(3):391 6 Huang J H.IEEE Trans,1992,CHMT-15(4):553 7 Frost J H.Howard R T.IEEE Trans,1990.CHMT-13:727 8 Solomon H D.Brazing and Soldering.1986,11:68 9 Pao Y H.IEEE Trans,1992.CHMT-15(4):559

黄继华等 载体金属 化镀层对 软钎焊接头热循环可靠性的影 响 · ‘ 结 论 当最 高 热 循 环 温度 ℃ 时 ， 镀 载 体 的 软 钎焊接 头 热循环 可 靠 性优于 镀 载体 当最高 热循环温 度 几 ℃ 时 ， 镀 载 体 软 钎焊接头热 循 环可靠性优 于镀 载体 。 由于 一 间 的 扩 散 速 度 及其界 面 的 化合物 生 长 速 度 远快 于 一 间 的 扩散速 度 及 其界 面 的化合物 生 长 速 度 ， 因而 镀 载 体 的 丁 软 钎焊 接头 热 循环 可 靠性 比镀 载 体对于 温 度更 为敏感 。 如果能改 善镀 载 体 的 软钎焊质量 ， 则 用 作 为 载 体金 属 化镀层不仅 可 以 降低 成本 ， 而 且还 可 以 获得较 高的热循环 可靠性 。 参 考 文 献 ， 丸 ， ， ， ， 一 ， ， ， ， ， 一 ， ， 一 ， ， ， 一 ， ， ， ， 一