无铅QFP金属间化合物层的高温可靠性研究

随着电子信息技术的蓬勃发展，尤其是单片微波集成电路（MMIC）和小型收发组件在民用、军用雷达和通讯系统中的广泛应用，迫切需要采用质量轻、体积小、成本低和可靠性高的元器件以实现更高的密度和集成度[1]。

QFP（Quad Flat Package）芯片是指利用方形扁平封装技术加工制造的芯片。由于QFP封装过程操作方便、接触可靠，同时具有外形尺寸小、寄生参数小的显著优点，适合大批量表面贴装（SMT）生产，非常适用于高频电路，在电子行业中应用十分广泛，是半导体芯片中非常重要的一种。因此，尽管封装密度受到BGA（ball grid array）的挑战，QFP器件在电子工业中仍然占有重要地位[2-3]。

由于《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》（RoHS，Restriction of Hazardous Substances）的强制执行，绝大部分QFP器件制造厂商在制造时，引脚的表面涂覆都已改成无铅焊料， 如镀锡、锡银铜、镍金、镍钯金等金属成分。在民用领域，与之匹配的焊料也多为锡银铜焊膏。而在高可靠要求的军工行业，仍然建议采用有铅焊料以保证可靠性和长期稳定性，因此产生了有铅无铅混装的大量需求。无铅QFP焊接时，如果使用有铅焊料同时采取传统工艺，就会出现有铅焊料与引脚的无铅电镀层不兼容的情况，强行采用就会带来各种焊接缺陷[4-6]。其中，最典型的失效为焊点金属间化合物IMC（Intermetallic Compound）引发的性能下降。一个完整的焊点由表面镀层、焊料合金、基板和引线框架等不同材料组成，是一个复杂的体系， 焊接界面形成冶金结合的标志为IMC的形成，但是IMC的塑性差又使界面成为互连中的最脆弱的部分。混装中IMC的成分和结构对焊点可靠性的影响是极为复杂的，因此掌握IMC 的形成和界面反应是评估混装焊点可靠性的重要手段[7]。本文考察了在混装条件下QFP金属间化合物层在不同环境测试下的变化及其对力学性能的影响。

1、实验

测试用QFP为100引脚，引脚为Sn镀层。所用焊膏为SnPbAg2，SMT回流炉温度设置如图1所示，其中8段温区温度分别设置为：150 ℃、145 ℃、145 ℃、155 ℃、180 ℃、240 ℃、255 ℃和265 ℃。

图1 回流焊温度曲线

组装后试样依据GB/T 17359-1998：电子探针和扫描电镜X射线能谱定量分析通则进行SEM/EDX测试。

环境测试选择为高温存储、高压蒸煮和高温高湿试验。高温存储试验依据JESD22-A103C，试验条件为+125 ℃+10 -0，1 000 h。高压蒸煮试验依据 JESD22-A102C，试验条件为121±2 ℃，100%RH， 205 kPa，96+5 -0 h。高温高湿试验依据JESD201，试验 条件为55±3 ℃，85%±3% RH，1 000 h。

2 结果与讨论 

2.1 初始试样性能 组装后QFP引脚垂直方向和水平方向的显微剖切 图片如图2所示，从图2可见，焊点焊接情况良好， 无虚焊发生。试样引脚处IMC层的形貌及成分分析 如图3所示。从图3可见，IMC的形貌在向焊料的生 长方向上有不规则的锯齿状，其厚度计算见表1， 平均厚度为1.53 µm。对IMC层进行EDX（Energy  Dispersive X-Ray Spectroscopy）打点分析结果见表 2，其中Cu元素和Sn元素的原子数比约为1.16，基本 等同于6∶5，说明其中大部分成分为Cu6Sn5。试样的 剪切力测试结果见表3，说明此时发生的失效模式主 要为焊料的脆性断裂。

（a）垂直方向

（b）水平方向 图2 SMT焊点显微剖切图片

图2 SMT焊点显微剖切图片

2.2、高温存储试样性能 

高温存储后试样引脚处IMC层的形貌及成分分 析如图4所示。从图4可见，左右引脚的IMC厚度增 长明显，锯齿状有所平缓，其厚度计算见表4，平均 厚度为5.14 µm，与初始试样相比增长3倍以上，同 时IMC层近焊料端存在若干微裂纹。对IMC层进行 EDX打点分析结果见表5，其中Cu元素和Sn元素的 原子数比约为1.23，与初始试样相比略大于6∶5，说 明其中的Cu3Sn成分开始增加，但增量不大。试样的剪切力测试结果见表6，测试得到剪切力低于初始试 样，同时失效发生的主要模式为IMC的脆性断裂， 说明IMC层厚度的增加和成分的改变使其力学性能 下降。

2.3 、高压蒸煮试样性能 

高压蒸煮后试样引脚处IMC层的形貌及成分分 析如图5所示。与初始试样相比，高压蒸煮后试样形 状变化不大。其厚度计算见表7，平均厚度为2.12 µm， 与初始试样相比增长38.6%，同时IMC层近焊料端存 在较多微裂纹。对IMC层进行EDX打点分析结果见 表8，其中Cu元素和Sn元素的原子数比约为1.10，与 初始试样相比差异不大，说明其中的成分未有很大 变化。试样的剪切力测试结果见表9，测试得到剪切 力明显低于初始试样，同时失效发生的主要模式为 IMC的脆性断裂，说明IMC层的微裂纹使其力学性能 显著下降。

2.4 、高温高湿试样性能

高温高湿后试样引脚处IMC层的形貌及成分分 析如图6所示。与初始试样相比，高压蒸煮后试样形 状变化不大。其厚度计算见表10，平均厚度为1.32 µm， 略薄于初始试样。对IMC层进行EDX打点分析结果 见表11，其中Cu元素和Sn元素的原子数比约为1.10， 与初始试样相比差异不大，说明其中的成分未有很 大变化。试样的剪切力测试结果见表12，测试得到 剪切力低于初始试样，但失效模式未发生变化。

3 、结论 

1）不同环境试验条件下，IMC厚度只在高温存 储后有显著增加，说明IMC只在高温长时间环境下 有高活性。 2）IMC层成分结构在三种环境试验条件下均未 发生较大变化，但是高温和高压会导致IMC层产生 微裂纹，从而降低其力学强度。