摘要

銦基低溫錫膏（DFLT）已成功應(yīng)用于雙層主板設(shè)計手機轉(zhuǎn)接板的焊接。現(xiàn)正準(zhǔn)備將其應(yīng)用擴展至手機主板，以期實現(xiàn)更低溫度下回流且達到不低于SAC305可靠性要求。實驗選用定制的WLP256芯片和與之匹配的電路板，在峰值溫度200℃至240℃條件下完成回流，然后進行跌落測試。實驗結(jié)果顯示焊點的微觀結(jié)構(gòu)受回流溫度的影響較大，回流峰值溫度在200℃時，焊點出現(xiàn)混合形態(tài)，即近電路板一側(cè)以DFLT為主，而芯片側(cè)的SAC305錫球則保持原有結(jié)構(gòu)；將回流溫度提高后，DFLT可與SAC305完全熔合，形成均勻的微觀結(jié)構(gòu)。在不同回流溫度下，DFLT在g-force 大于6000g的條件下，抗跌落性可媲美或優(yōu)于SAC305；220℃的回流溫度下，DFLT的跌落性能可比SAC305提升90%以上。此外，DFLT在-40~125℃溫循測試（TCT）中也展現(xiàn)出優(yōu)于SAC305的性能。溫循測試結(jié)果也與回流峰值溫度相關(guān)，實驗結(jié)果顯示，在 210℃峰值下回流TCT 表現(xiàn)最佳。

關(guān)鍵詞：無鉛、溫循測試、低溫焊料、可靠性、焊點形態(tài)

引言

2017年版iNEMI電子組裝技術(shù)路線圖預(yù)測2027年印刷電路板組裝使用低溫焊料 （LTS） 錫膏的滲透率將會達到20%。低溫焊接的主要驅(qū)動力包括但不限于：減少高集成度芯片的動態(tài)翹曲、降低組裝過程中的能耗，降低溫度敏感元器件的回流風(fēng)險。

錫鉍合金焊料，包括錫鉍共晶、錫鉍銀共晶、錫鉍非共晶及其改性合金的相關(guān)研究眾多，被認為是低溫焊接工藝的主要合金材料。錫鉍合金熔點為138℃，因此可以在較低溫度下回流。但較低的熔點溫度也限制了其工作溫度只能在更低的范圍內(nèi)。此外，鉍金屬的固有脆性使其抗跌落沖擊性能較差，為其應(yīng)用帶來不小的限制，很難被推廣到手機等移動終端類的應(yīng)用之中。

錫銦共晶合金的熔點為118°C，可以在更低的溫度下回流，但工作溫度也更低。與錫鉍合金相比，錫銦合金質(zhì)地柔軟，具有良好延展性和更好的抗機械沖擊性能。采用專利技術(shù)[3]開發(fā)的DFLT錫膏，采用低熔點錫銦銀和富錫混合焊粉技術(shù)，既可以實現(xiàn)較低溫度190℃~210℃回流，焊點的重熔溫度在180℃之上，并使工作溫度保持在更高水平。DFLT低熔點錫銦合金的存在，可使回流峰值溫度低至200℃，甚至190℃[4]。而熔點溫度較高的富錫焊粉在回流過程中不斷熔解到熔融的錫銦焊料中，使焊點成分向富錫端偏移，最終形成的焊點中不存在低熔點的錫銦共晶相。因此，焊點的重熔溫度可達到180℃甚至更高。

在峰值溫度為200℃回流條件下，DFLT錫膏的抗跌落沖擊性能與峰值溫度為240℃回流條件下SAC305相當(dāng)甚至更好[2]。此外，DFLT還具有與SAC305相當(dāng)?shù)腡CT性能。正因如此，DFLT已被成功大規(guī)模地應(yīng)用于雙層主板設(shè)計手機中轉(zhuǎn)接板的焊接中[2,3]，峰值溫度設(shè)定約為200℃。

汽車電子、電動汽車應(yīng)用和小間距晶圓級封裝等對焊點的可靠性提出了更高的要求，需要在更惡劣的使用條件下保持更長使用壽命，而常見的SAC305合金已無法滿足。目前，多數(shù)高可靠性焊料均采用四元或多元合金，而不僅僅是常見的錫銀銅合金。從冶金學(xué)角度上看，一般通過固熔強化、析出強化、晶格或組織細化等方法中的一種或多種的組合來實現(xiàn)合金焊料的強化。銦是其中一種常用的強化元素，能通過固熔體結(jié)構(gòu)強化錫基焊點的本體，富銦相金屬間化合物（IMC）更好地與錫、銀一起形成Ag (SnIn) IMC結(jié)構(gòu)。

之前報導(dǎo)中對錫球直徑為0.25mm的WLP256芯片內(nèi)部分析結(jié)果表明，選擇更高剛性的焊料會對TCT產(chǎn)生負面影響。硅芯片和電路板間的熱膨脹系數(shù)失配會帶來較大的應(yīng)力，而處于兩者之間的SAC305焊料剛性高、延展性較差是失效的主要原因之一。DFLT合金相比于SAC305要偏軟，但貼片電阻TCT測試結(jié)果顯示其焊點剪切強度下降幅度甚至小于SAC305[2-4]。因此考慮使用更軟的DFLT代替SAC305驗證對WLP256可靠性的變化。此外，DFLT是低溫合金，可在200℃回流。不同回流曲線（峰值溫度200℃ ~ 240℃）對可靠性的影響也被納入實驗，在確保跌落沖擊和TCT性能的前提下，驗證DFLT是否可以在比SAC305低得多的溫度下完成回流，以達到節(jié)能目的。

實驗

A.實驗材料

跌落沖擊測試使用定制的10×10元件。BGA焊盤直徑0.55mm，間距2.54mm。BGA放置區(qū)面積為50.8mmx50.8mm，電路板外部尺寸101.6mmx101.6mm，厚度為1.53mm。電路板設(shè)計如圖1所示。

圖1：跌落測試板設(shè)計
TCT測試選用WLP256芯片，尺寸為6.4mm×6.4mm。BGA錫球直徑為0.25mm，間距0.4mm。如圖2所示，電路板為非阻焊層限定（NSMD）OSP焊盤設(shè)計。上下矩形焊盤可用于檢查每列電氣連接，左右兩個正方形焊盤用于檢查整個芯片的電氣連接。焊盤可與數(shù)據(jù)記錄器連接，便于可靠性測試連續(xù)監(jiān)控。

圖2 ：WLP256電路板設(shè)計

B.鋼網(wǎng)設(shè)計

跌落沖擊測試BGA一側(cè)使用厚度為0.102mm的鋼網(wǎng)，直徑1.77mm圓形開孔，錫膏使用SAC305。在電路板一側(cè)使用厚度為0.1016mm鋼網(wǎng)，直徑0.889mm圓形開孔。回流后焊點中電路板和BGA體積比為1:4。

TCT測試WLP256一側(cè)使用0.06mm厚鋼網(wǎng)，直徑0.22mm圓形開孔，錫膏使用DFLT。DFLT錫膏與錫球體積比約為1:4，回流后焊點中DFLT與錫球合金體積比約為1:8。

C.回流

將準(zhǔn)備進行跌落測試的BGA和WLP256芯片貼裝到已經(jīng)印刷好錫膏的電路板上，然后在不同回流溫度設(shè)定下完成回流。DFLT錫膏分別選用峰值溫度為200oC、210oC、220oC和240oC的設(shè)定，如表1列出的峰值溫度和液相線上的總時間（TAL）。圖3 是對應(yīng)的回流曲線。DFLT在較低溫度回流時，芯片上SAC305錫球可能無法完全熔融，不能與DFLT合金形成均勻的焊點。因此需要使用峰值呈平臺型回流曲線 。另外，SAC305作為對照組，回流峰值溫度為240oC。

圖3 ：DFLT回流曲線

D.跌落沖擊測試

跌落沖擊測試采用落球試驗方法進行。圖4為試驗裝置示意圖。將完成回流的電路板裝入測試臺，芯片側(cè)朝下。再安裝一個金屬塊，電路板的四個角和金屬塊之間用金屬套筒連接固定。如圖4中間照片所示。測試時，鋼球從設(shè)定高度自由落體撞擊金屬塊頂部，沖擊力從套筒傳導(dǎo)至電路板。跌落沖擊自動計數(shù)，直至BGA芯片從電路板剝落為止。測試設(shè)備自帶的加速度計和應(yīng)變計可以捕捉到首次沖擊（鋼球可能會在金屬板上反復(fù)彈跳幾次）加速度和機械應(yīng)變，如表2中數(shù)據(jù)。跌落設(shè)定高度500mm， 鋼球重量100克，表中數(shù)據(jù)為10次跌落測試的平均值

圖4 ：落球?qū)嶒炑b置

將WLP256元件置入-40℃~125℃，高低溫溫度點保持20分鐘后切換。外接數(shù)據(jù)記錄儀監(jiān)控阻值變化，阻值計計數(shù)為100%時表示焊點全部失效。

結(jié)果和討論

A.跌落沖擊測試結(jié)果

圖5 顯示了不同回流條件下跌落沖擊測試組元件回流后焊點形態(tài)的切面圖。在峰值溫度200oC（P200）回流條件下，電路板焊盤上面焊點有明顯的混合形態(tài)，說明DFLT和SAC305合金在回流中沒有完全熔融在一起。但在210oC（P210）或更高溫度回流時，已經(jīng)看不到混合態(tài)。當(dāng)溫度高于220oC時，如圖5中P220, P240, P240焊點切面形態(tài)呈橢圓狀，表明DFLT錫膏與SAC305錫球完全熔融。

圖5：跌落沖擊測試組元件回流后焊點形態(tài)切面圖

P200和P220跌落沖擊測試組元件切片后的焊點又分別進行了SEM和EDX映射檢查。P200樣品有混合態(tài)合金。焊點頂部圓形區(qū)合金以SAC305為主，不含有DFLT中所含的特征金屬——銦。相比之下，圖6 D中焊點靠近電路板焊盤區(qū)域即混合合金區(qū)顏色更淺。EDX映射顯示有銦存在。頂部圓形區(qū)域也觀察到典型的Ag3Sn形核（圖6 E），混合態(tài)比圖6 D頂部圓形區(qū)更亮，表明有銦存在。同時也表明在回流過程中，熔融的DFLT合金與部分SAC305形成混合區(qū)。在這個區(qū)域可以清楚觀察到兩種含銦合金狀態(tài)，圖6 D中明亮富銦區(qū)和不太明亮的含銦區(qū)?；旌蠎B(tài)中含銀形核沿富銦和含銦晶界和電路板銅焊盤IMC分布。P220樣品EDX映射如圖6 F-J所示，觀察不到混合區(qū)域。但在焊點中能觀察到含銀形核，如圖6 J。銦分布與錫銀構(gòu)成的結(jié)晶有關(guān)。

圖6：跌落沖擊測試組元件焊點微觀結(jié)構(gòu) (A-E): P200回流條件, (F-J): P220回流條件

圖7為電路板焊盤側(cè)焊點微觀結(jié)構(gòu)放大和以銀、銦為主要指標(biāo)EDX映射照片。在P200回流條件下，以銦為主要的EDX照片中可以發(fā)現(xiàn)清晰的富銦區(qū)、含銦富錫區(qū)和無銦區(qū)，如圖7 C所示。在原來的錫球區(qū)域，SAC305維持了原始微觀結(jié)構(gòu)特征，錫本體中分散有Ag3Sn形核。在混合合金區(qū)，除上述富銦、富錫區(qū)之外，銦還參與了含銀IMC微粒的形成。以銀為主的7 B和以銦為主的7 C重疊圖證實了這一推論。這些顆粒分散在富銦區(qū)和含銦富錫區(qū)界面或IMC層的正上方。IMC微粒由銀、錫、銦組成。在P220和P240回流條件下，沒有發(fā)現(xiàn)有富銦和富錫區(qū)，如圖7 D~I。兩種條件的焊點呈現(xiàn)出典型SAC305 微觀結(jié)構(gòu)。P240樣品（圖7 H）晶粒結(jié)構(gòu)較P220 （圖7 E）更細膩。P220回流樣品（圖 7 E和F）晶粒枝叉有部分較粗IMC顆粒（Ag/In/Sn，較亮的點）分布，而P240樣品幾乎觀察不到類似結(jié)構(gòu)形態(tài)，見圖7H和I)。

圖7：電路板焊盤側(cè)焊點微觀結(jié)構(gòu)放大和EDX映射照片

圖8：回流曲線對跌落沖擊性能的影響

如圖8所示回流曲線設(shè)定對跌落沖擊結(jié)果有明顯影響。表3為跌落沖擊測試結(jié)果和相對于SAC305提升的比例。即使不考慮回流曲線的差異，DFLT跌落沖擊性能均優(yōu)于SAC305。在P220回流條件下，DFLT有最佳的跌落沖擊性能，999次沖擊之后BGA元件也沒有從電路板上脫。999次是計數(shù)器極限，到達后系統(tǒng)自動停止。DFLT比SAC305提升91%。P210回流條件提升近50%。在P240回流條件，DFLT性能與SAC305相當(dāng)。

所有跌落測試失效的斷點位置都發(fā)生在靠近電路板一側(cè)，焊盤上方的位置。圖9為對應(yīng)的斷面放大照片。因DFLT在P220回流條件下也沒有出現(xiàn)失效，因此沒有斷面照片。DFLT在P200 回流條件下（圖 9 A~C）和在P210 (圖9 D~F) 斷面呈現(xiàn)顆?；蛩樾冀Y(jié)構(gòu)形態(tài)，而DFLT在P240 (圖9 G~I) 和SAC305 (圖9 J~L) 斷面更多呈片狀形態(tài)。

表4為電路板側(cè)和芯片側(cè)斷面的EDX元素分析結(jié)果。斷面兩側(cè)的銅含量較高，說明跌落失效位置主要發(fā)生在銅錫界面的IMC層。DFLT樣品斷面兩側(cè)均發(fā)現(xiàn)銦元素，電路板側(cè)界面切片EDX分析也證實銦參與了界面IMC的形成。原子數(shù)49的銦與原子數(shù)50錫在元素周期表中相鄰，具有相似的原子半徑（銦1.56?，錫1.45?），以及相近的電負度（銦1.78，錫1.96），兩者化學(xué)性質(zhì)相近。因此，銦可以局部取代錫原子形成Cu6(SnIn)5 IMC。此外，根據(jù)銅銦相圖，銦還可與電路板焊盤中的銅形成Cu11In9 IMC，與Cu6Sn5 IMC結(jié)合在一起形成相對更復(fù)雜IMC。目前尚不清楚哪一種IMC占主導(dǎo)地位。更深層的研究仍在進行中。

圖9：跌落沖擊測試失效元件在電路板一側(cè)的斷面圖

B.溫循測試

圖10 為WLP256元件在不同回流條件焊點切片。DFLT在P200回流條件焊點呈現(xiàn)出輕微非球形態(tài)，但比較難分辨出混合區(qū)。峰值溫度升高后，焊點形態(tài)更接近球形。錫膏體積和回流峰值溫度對焊點形態(tài)均有影響。

圖10：WLP256元件回流后焊點切片形態(tài)照片

圖11：WLP256電路板側(cè)DFLT焊點形態(tài)P200回流條件 (A-E)和P210 回流條件(F-J)

在P200回流條件下DFLT焊點在WLP256電路板焊盤上方有混合區(qū)，如圖11 A~E。跌落沖擊測試組元件焊點不同的是，混合區(qū)幾乎看不到富銦區(qū)。圖11 D~E 可以觀察到銦銀IMC。銦還會參與錫本體的形成。與跌落沖擊測試焊點相比，DFLT錫膏體積與SAC305球體積比例差異帶來焊點形態(tài)的變化。P210回流條件下焊點均勻，看不出有明顯的混合區(qū)存在。銦、銀結(jié)合形成IMC析出相，如圖11 I和J晶枝結(jié)構(gòu)。在錫本體區(qū)域仍能偵測到銦。

這也印證了銦已經(jīng)融入錫本體之中。在210℃以上回流條件下，使用DFLT錫膏的焊點都發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)構(gòu)形態(tài)，與SAC305焊點在外觀上非常接近。

WLP256元件在-40℃~125℃，高低溫溫度點保持20分鐘條件下進行溫循測試。結(jié)果如圖12所示，列明了DFLT在不同回流條件下和SAC305相關(guān)數(shù)據(jù)。表5對列出詳細數(shù)據(jù)，無論何種回流溫度，DFLT較SAC305溫循特性至少提升10%。如果在相同回流條件P240, DFLT提升15%以上。DFLT在P210回流條件下表現(xiàn)出最佳的溫循特性，首次失效發(fā)生在824.5次，比SAC305提升30%以上。

圖12：回流曲線對TCT性能的影響

討論

如上所述，DFLT在跌落沖擊和WLP256 TCT溫循測試表現(xiàn)均優(yōu)于SAC305。在210~220℃回流條件下，較之SAC305，DFLT跌落沖擊性能提升90%以上，WLP256 TCT溫循測試提升30%。但繼續(xù)提高回流溫度后，性能會出現(xiàn)一定下降。回流曲線對DFLT可靠性影響可以從焊點切片的微觀結(jié)構(gòu)變化來解釋。

圖13：不同回流曲線下電路板一側(cè)IMC界面形態(tài)

在跌落沖擊測試方面，除焊點的形態(tài)之外，界面IMC也是影響最終性能的一個主要因素，焊點的失效位置都在電路板一側(cè)的界面上。而IMC的厚度會受到回流曲線影響。在圖13中，DFLT 在P220回流條件下IMC層最薄， P200回流條件IMC層最厚，P240條件IMC厚度介于兩者之間。而DFLT在 P220回流條件下跌落沖擊性能正好與其最薄的IMC厚度相關(guān)，但IMC層最厚的DFLT P200跌落沖擊性能并不是最差的。DFLT 在P240回流條件下性能最差，但仍與SAC305相當(dāng)。可能是在P200條件下，電路板一側(cè)的混合區(qū)域更加柔軟，更容易在測試中發(fā)生形變，可以吸收更多的沖擊能量。進一步調(diào)查仍在進行中。

將完成1000次溫循測試后的WLP256元件進行失效分析。主要對元件最外側(cè)的錫球切片分析。圖14分別是DFLT P200條件下、DFLT P210和SAC P240最外側(cè)的16個焊點形態(tài)的光學(xué)照片。邊角位置的焊點開裂最嚴重的地方，即1號和16號焊點。大多數(shù)開裂發(fā)生在WLP256芯片側(cè)焊點內(nèi)部。在相同回流條件下 ，SAC305 P240的16個焊點中有11個在芯片側(cè)出現(xiàn)貫穿性開裂，其余焊點也出現(xiàn)不同程度的開裂。如表6中搜集的數(shù)據(jù)。較之SAC305，DFLT較少出現(xiàn)貫穿性開裂，更多的是部分開裂。另外，DFLT和SAC305焊點都有在電路板一側(cè)也偶有局部開裂的現(xiàn)象；電路板一側(cè)的銅焊盤也有輕微翹起的現(xiàn)象，說明電路板壓合層已經(jīng)出現(xiàn)損壞。

圖14：WLP256元件在TCT 1000次循環(huán)之后最外側(cè)焊點切片光學(xué)照片

圖15為TCT 1000次循環(huán)后邊角位置焊點SEM和EDX映射結(jié)果，開裂多發(fā)生在WLP256芯片一側(cè)。這與熱膨脹系數(shù)失配帶來應(yīng)力集中硅芯片與焊料界面處有關(guān)，硅的熱膨脹系數(shù)為2~4ppm，金屬焊料為27ppm。同時發(fā)現(xiàn)IMC附近錫銦銀顆粒較為粗礪，而遠離裂紋區(qū)域則保持著近SAC305較為精細的晶體結(jié)構(gòu)。如圖16中靠近WLP256中間位置焊點只有很小或觀察不到開裂現(xiàn)象。另外，在圖16 B、E、H中，只有在焊點邊角片能觀察到少量發(fā)亮的晶粒。而在SAC305 P240和DFLT P210 回流條件下，焊點形態(tài)以枝晶結(jié)構(gòu)為主。DFLT P200在靠近電路板一側(cè)能觀察到明顯的混合區(qū)，在上半部分SAC305錫球區(qū)也能觀察到類似的枝晶結(jié)構(gòu)。

圖15：WLP256元件在TCT 1000次循環(huán)之后最外側(cè)焊點切片SEM和EDX映射照片

從上述的結(jié)果上可以看出，焊點的形態(tài)會隨曲線的變化而發(fā)生改變。較低的峰值溫度P200可以觀察到明顯的混合區(qū)，且主要存在于BGA球下方的位置。這種混合合金盡管在所有類型的測試中不是最好的，但其性能仍然優(yōu)于對照組SAC305。使用更高峰值溫度P240并沒有使得DFLT表現(xiàn)更好。與之對應(yīng)的是，使用P210和P220兩種回流溫度的DFLT表現(xiàn)出最佳的TCT和跌落沖擊性能，這也恰好可以與其形成均勻的焊點微觀形態(tài)相匹配。如果不考慮回流曲線和焊點形態(tài)，DFLT與SAC305的失效模式是相同的。銦、銀被發(fā)現(xiàn)參與了界金屬的形成，這可能是焊點性能提升的潛在因素，更多相關(guān)研究正在進行中。

結(jié)論

綜上所述，無論回流曲線如何設(shè)定，DFLT在跌落沖擊和WLP256 TCT測試中表現(xiàn)均優(yōu)于SAC305。在回流曲線實驗中發(fā)現(xiàn)，相對較低的峰值溫度P210和P220表現(xiàn)最佳。而在更低的P200條件下，發(fā)現(xiàn)有混合合金區(qū)，這可能是其測試表現(xiàn)較差的原因。提高回流溫度可以避免此現(xiàn)象的發(fā)生，形成更加均勻的焊點結(jié)構(gòu)，但最好不要使用類似于SAC305 P240的回流曲線，這同樣會使得相關(guān)性能出現(xiàn)下降。此外，DFLT與SAC305的失效模式是相同的。銦被發(fā)現(xiàn)參與了界金屬的形成，這可能是焊點性能提升因素之一，更多相關(guān)研究正在進行中。