热-剪切循环条件下SnAgCu/Cu界面化合物生长行为研究
张建纲，程东海，黄继华，刘慧渊
（北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083）
摘要：表面组装焊点界面行为对整个焊点可靠性有决定性的影响，研究钎料合金与印制电路板和器件金属化层间的界面行为对于发展表面组装软钎焊接头可靠性预测理论和测试技术、开发高可靠性软钎料尤其是环保型无Pb软钎料均具有重要的意义。本文对SnAgCu 无铅钎料合金/Cu界面热-剪切循环条件下的界面化合物生长行为进行了研究，结果表明：在热-剪切循环条件下，SnAgCu无铅钎料合金/Cu界面金属间化合物的生长速度比仅有热循环而无剪切应变时快；金属间化合物的生长速度随剪切应变量（应力）的增大而增大。
关键词：热-剪切循环，SnAgCu，界面，化合物
0 序言
高密度、高可靠性是现代微电子技术的发展方向。随着半导体芯片集成度的迅猛提高，电路板组装（二级组装）技术也从传统的通孔安装技术（Through Hole Technology，THT）发展到高密度表面组装技术（Surface Mount
Technology, SMT）【1】。
表面组装技术在密度和性能等方面顺应了现代微电子技术的发展方向，但其独特的组装结构却给组装软钎焊接头（焊点）可靠性带来了隐患：在服役热循环或热循环加速试验条件下，由于缺乏外引线（脚）对芯片载体（陶瓷）和印制电路板（环氧/玻璃纤维复合板）间的热膨胀失配的调节，钎焊接头常常因承受循环剪切应力而疲劳失效；同时在SMT中钎焊点既起到固定元器件的作用，又是元器件与电路板之间的电气通路，而且，焊点大都在器件底部，一旦失效其检查和维修便非常困难。因此，SMT软钎焊接头的可靠性一直是近年来微电子组装技术领域最重要的研究课题。焊点界面即钎料合金与印制电路板和器件金属化层间的界面是SMT软钎焊接头的薄弱环节，研究表明：在服役或热循环加速试验条件下表面组装焊点往往最先从界面开裂，焊点界面的行为对整个焊点可靠性有决定性的影响。研究钎料合金与印制电路板和器件金属化层间的界面行为对于SMT软钎焊接头可靠性预测理论和测试技术的发展，对于高可靠性软钎焊材料尤其是当前环保型无Pb钎料的开发均具有重要的意义。
根据反应状态的不同，钎料合金与印制电路板和器件金属化层间的界面反应可分为两个阶段：组装（再流焊）过程中的界面反应和服役或热循环加
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50371010)
速试验过程中的界面反应。已有的研究对于组装过程中的界面反应比较充分，研究表明：组装过程中液态软钎料合金（低熔Sn基合金）均会与印制电路板和器件金属化层发生反应形成金属间化合物，这种金属间化合物的形成是实现连接的物理基础，但对焊点在服役或热循环加速试验过程中的可靠性又有负面影响[2-4]。关于服役或热循环加速试验过程中焊点的界面反应，已有的研究主要集中在恒温时效（老化）条件下焊点界面金属间化合物生长动力学，试图以恒温时效（老化）条件下焊点界面化合物生长动力学来反推服役或加速试验过程中焊点的界面化合物生长行为。其研究思路主要建立在这样一种认识的基础之上：服役或热循环加速试验过程的热循环对焊点界面反应来说主要是热效应，因而完全可以用恒温条件下的效果来评估，而研究恒温时效（老化）条件远比热循环条件简单、方便。
事实上，服役或加速试验过程中表面组装焊点在承受热循环的同时焊点内部还存在应力-应变（剪切）循环，而这也是焊点热循环作用下失效的根本原因。并且，由于表面组装Sn基软钎料合金熔点和再结晶温度都很低，变形（应力）对焊点界面近域材料内部的物质传输、化合物的形核生长以及组织结构都有显著影响。因此，服役或加速试验过程中焊点界面行为与恒温时效或单纯热循环而无剪切变形条件下焊点界面行为有本质的区别，要全面解释实际服役或热循环加速试验过程中表面组装焊点界面行为，必须同时考虑热循环和剪切循环的作用，对钎料合金与印制电路板和器件金属化层界面在热-剪切循环条件下的界面反应进行深入的研究。本文研究了目前已有应用的SnAgCu无铅钎料合金/Cu界面热-剪切循环条件下的界面化合物生长行为，并分别与只有热循环时以及Sn-Pb钎料的情况做了对比研究。
1 试样的制备
考虑到采用实际的表面组装件对研究不方便而且没有必要，作为一个热-剪切循环条件下的钎焊接头界面问题，本文采用模拟试样进行研究。如图1所示，试样由钨条和铜条两端钎焊而成，由于钨和铜的热膨胀系数相差较大（前者为4.6ppm/℃，后者为16.5 ppm/℃），在热循环条件下试样两端钎焊接头将同步产生剪切应力-应变循环。
由于金属钨与软钎料的焊接性比铜差很多，为防止试样焊点在钨条一侧过早失效，所以在钎焊前，用扩散焊方法在钨条两端钎焊部位叠焊镍箔（0.1mm）。因此，该试验也可以同时研究无铅钎料与Ni界面化合物生长情况。试验中为考察应力大小对界面化合物生长行为的影响，试样长度分别设计了100mm和50mm两种，以在焊点处获得大小不同的剪切应力。
热-剪切循环试验温度循环范围为25℃—125℃。循环周期为一小时，其中高、低温各保持半小时。循环0周、24周、200周、400周后，用扫描电镜（SEM）分析接头界面微结构及金属间化合物的生长行为。
为研究热-剪切循环情况下与只考虑热循环时钎料合金/Cu界面化合物生长行为的差异，本文也考察了SnAgCu无铅钎料125℃恒温时效0h、12h、100h、360h、720h的界面化合物生长情况。
图1 热-剪切循环模拟试样示意图
Fig.1 Schematic diagram of thermal-shearing cycling test
sample
2 结果分析
2.1 热循环对SnAgCu/Cu界面化合物生长行为的影响
基于服役或热循环加速试验过程的热循环对焊点界面化合物生长行为来说主要是热效应，因而可以用恒温条件下的效果来评估，而研究恒温时效（老化）条件远比热循环条件简单、方便。因此本文首先通过恒温时效来考察热循环对SnAgCu/Cu界面化合物生长行为的影响。
图2（a）、（b）、（c）、（d）分别为SnAgCu无铅钎料焊点在125℃恒温时效0h、12h、360h和720h后的电镜照片。根据能谱分析并结合SnAgCu三元相图可知，焊点界面处的金属间化合物为Cu6Sn5和Cu3Sn两种。经过较短时间时效（如a、b所示），界面金属间化合物为非连续的笋状Cu6Sn5层。随着时效时间的延长（如c、d所示），化合物层的厚度增加并逐步密集，并且在Cu6Sn5层靠近Cu一侧，有新的化合物Cu3Sn生成。
2.2 应变量（应力）对界面化合物生长行为的影响
由于模拟试样中的剪切应变（应力）是由铜条和钨条的热膨胀系数不同而产生的，所以在其他参数相同的情况下，其大小与试样的长度成正比。因此，本试验中较长的试样（100mm）在焊点处产生的应变量（应力）为较短试样（50mm）的两倍。
图3（a）、（b）分别为SnAgCu无铅钎料焊点界面在热-剪切循环200周后的电镜照片。图中可以清晰的看到，上部颜色较浅的SnAgCu无铅钎料和下部颜色较深的Cu之间有一层连续的金属间化合物层(Cu6Sn5)。在较大应变（应力）作用下，该金属间化合物生长速度明显大于应变（应力）较小的情况：循环相同周数后（200周），长度为100mm的试样和长度为50mm的试样Cu6Sn5层厚度分别为7μm和4.5μm。这是由于应变量较大时，钎料合金内部产生较多的晶体缺陷，根据扩散的空位机理，此时原子的扩散速度较大；并且，缺陷的增多为化合物的非均匀形核及长大创造了条件。这些都导致了在较大的应变（应力）作用下，钎料与Cu界面金属间化合物生长较快。
通过对比图2和图3，可以清楚的发现应变（应力）循环对焊点界面化合物生长的影响:在热-剪切循环条件下，SnAgCu无铅钎料合金/Cu界面化合物生长速度要比仅有热循环而无剪切应变时快，在热-剪切循环200周（高温阶段仅为100h）时的化合物层厚度已与恒温时效360h时的化合物层厚度相当（热-剪切循环试样长度为50mm时，图3(b)）或大于恒温时效360h时的化合物层厚度（热-剪切循环试样长度为100mm时，图3(a)）。
为了更深入的分析应变（应力）大小对界面化合物生长行为的影响，本文同时研究了SnPb钎料的情况。如图4所示，应变量对SnPb钎料与Cu界面金属间化合物的生长同样有很大影响。其影响规律与SnAgCu无铅钎料相同，随剪切应变量（应力）的增大金属间化合物的生长速度也增大，但该影响对于SnAgCu无铅钎料更加显著。
(a) 0h (b) 12h
(c) 360h
(d) 720h
图2 恒温时效SnAgCu/Cu界面电镜照片
Fig.2 SEM micrograph of SnAgCu/Cu solder joint interface after aging
（a）试样长度为100mm
（b）试样长度为50mm
图3 热-剪切循环下SnAgCu/Cu界面电镜照片（200周）
Fig.3 SEM micrograph of SnAgCu/Cu solder joint interface under thermal-shearing
cycling
（a）试样长度为100mm
（b）试样长度为50mm
图4 热-剪切循环下SnPb/Cu界面电镜照片（200周）
Fig.4 SEM micrograph of SnPb/Cu solder joint interface under thermal-shearing
cycling
3 结论
（1）125℃恒温时效较短时间SnAgCu/Cu界面金属间化合物为非连续的笋状Cu6Sn5。随着时效时间的延长，化合物层的厚度增加，并且在Cu6Sn5层靠近Cu一侧，有新的化合物Cu3Sn生成。
（2）在热-剪切循环条件下，SnAgCu无铅钎料合金/Cu界面金属间化合物生长速度比仅有热循环而无剪切应变时快，随应变量（应力）的增加，金属间化合物的生长速度加快。
参考文献
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Research on Interfacial Intermetallics Growth Behavior of SnAgCu/Cu Solder Joints under Thermal-shearing Cycling
Zhang Jiangang, Cheng Donghai，Huang Jihua, Liu Huiyuan
(School of materials science and engineering, University of Science
and Technology Beijing,
Beijing 100083, China)
Abstract：Interfacial behavior between solder alloy and metallic layer of PCB
or SMC has an direct bearing on the reliability of SMT solder joints. It is
important to understand the interfacial behavior for developing the predicting
theory and testing technology of reliability of SMT solder joints, and
preparing the solder alloys with higher reliability, especially lead-free
solder alloys. In this paper, the interfacial
intermetallics growth behavior
of SnAgCu/Cu solder joints under thermal-shearing cycling is
investigated.The results show that the growth rate of the intermetallics under thermal-shearing
cycling is higher than the one under single temperature cycling, and the growth
rate of the intermetallics increases with the increase of the shearing
strain(stress).
Key Words：thermal-shearing
cycling, SnAgCu, interface, intermetallics
作者简介：
张建纲,男，(1978-)，讲师，博士研究生; E-mail: zjg78626@sohu.com
黄继华,男,(1962-),教授,博士生导师; E-mail:Jihuahuang47@sina.com
Tel: 010－62334859
