宋昱含，楊雪霞，崔小朝

（太原科技大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030024）

可 靠 性

熱載荷下金屬間化合物厚度對焊點(diǎn)可靠性的影響

宋昱含，楊雪霞，崔小朝

（太原科技大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030024）

研究了在熱循環(huán)載荷條件下，不同厚度的金屬間化合物IMC（Intermetallic Compound）層對焊點(diǎn)可靠性的影響。采用Anand本構(gòu)模型描述無鉛焊點(diǎn)在熱載荷條件下的粘塑性力學(xué)行為，運(yùn)用有限元模擬電子封裝器件在熱載荷循環(huán)下的應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律，確定關(guān)鍵焊點(diǎn)的位置，得到關(guān)鍵焊點(diǎn)的關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變與時(shí)間關(guān)系的曲線，分析IMC層厚度與壽命關(guān)系曲線，并確定其函數(shù)關(guān)系。研究表明：在熱載荷條件下IMC層厚度越大，其焊點(diǎn)的可靠性越低，壽命越短。在IMC層厚度為8.5 μm時(shí)，IMC厚度對焊點(diǎn)壽命的影響率出現(xiàn)明顯的變化，影響率由-32.8突然增加到-404，當(dāng)IMC厚度為14.5 μm時(shí)，焊點(diǎn)的壽命值出現(xiàn)了跳躍。

金屬間化合物；等效塑性應(yīng)變；IMC厚度；熱循環(huán)載荷；有限元；可靠性

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，微型電子封裝器件在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著舉足輕重的作用?？紤]到鉛對環(huán)境以及人類生活的惡劣影響，無鉛焊料的使用必定成為未來的趨勢。無鉛焊點(diǎn)的含錫量較高，導(dǎo)致其更容易產(chǎn)生金屬間化合物(Intermetallic Compound,IMC)。IMC是由于焊料中的錫元素與被焊的金屬元素的互相擴(kuò)散、滲入生成的一層金屬薄膜。然而在封裝器件服役的過程中，IMC層會(huì)隨之生長，增厚。且IMC層的厚度對焊點(diǎn)的疲勞壽命、韌性、抗剪壓強(qiáng)度有較大的影響，幾乎決定了電子封裝器件的可靠性[1]。

對于IMC層的力學(xué)性能，有學(xué)者通過納米壓痕的方法對其進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)IMC層的力學(xué)性能與焊料和Cu有很大區(qū)別，容易產(chǎn)生相對較大的應(yīng)力集中，造成焊點(diǎn)失效[2]。Pang等[3]研究了高溫停留、低溫停留、熱循環(huán)等溫度時(shí)效下的IMC生長的情況，得到了熱循環(huán)下，IMC的生長規(guī)律等理論。楊雪霞等[4-5]認(rèn)為焊點(diǎn)尺寸越大，IMC層生長速率越小、厚度越??；隨著溫度的升高其厚度生長速率增大。Xiao等[6]研究了焊點(diǎn)失效的模式為焊料與IMC層的界面失效，得到IMC層越厚，塑性功密度會(huì)更大，越容易失效的結(jié)論。

以上研究多是針對IMC厚度生長、力學(xué)性能，或者簡單定性地研究了IMC存在對焊點(diǎn)可靠性的影響，因此，亟需對IMC具體的厚度值對焊點(diǎn)熱循環(huán)載荷下可靠性定量的影響進(jìn)行研究。本文根據(jù)文獻(xiàn)[7]實(shí)驗(yàn)得到的IMC層達(dá)到的最大厚度值，以PBGA焊點(diǎn)為研究對象進(jìn)行有限元模擬，考慮IMC層厚度范圍為0.5 μm到22 μm，研究PBGA焊點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變分布情況以及其熱循環(huán)壽命，得到IMC厚度對焊點(diǎn)可靠性定量的影響，并確定IMC層厚度與焊點(diǎn)壽命的函數(shù)模型。

1 PBGA有限元分析

1.1 建立有限元模型

以PBGA為參考對象，建立二維模型，由于結(jié)構(gòu)和受載荷的對稱性，取一半模型進(jìn)行建模，并考慮平面應(yīng)變的情況[8-9]。模型包括：PCB板、銅盤、芯片、基板、IMC層、焊料球、環(huán)氧塑封材料7部分組成。模型如圖1所示，焊點(diǎn)、銅盤、IMC層詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 二維PBGA有限元模型Fig.1 Two-dimensional finite element model of PBGA

圖2 焊點(diǎn)局部放大圖Fig.2 Partial enlargement of solder joints

1.2 材料屬性的設(shè)置和單元類型

采用統(tǒng)一的塑性Anand本構(gòu)模型來描述焊點(diǎn)的材料屬性。PCB板和基板為正交各向異性的彈性材料模型[10-14]。Sn3Ag0.5Cu焊點(diǎn)Anand模型中各系數(shù)的取值見表1。

金屬間化合物IMC層視為一種Cu6Sn5材料，假設(shè)為線彈性材料模型，其參數(shù)為表2所示。其他各部分材料屬性見表3所示。線彈性和彈塑性材料選用PLANE182單元，焊球采用的是粘塑性材料模型，采用PLANE183單元。

表1 Sn3Ag0.5Cu焊料的Anand模型的粘塑性材料參數(shù)Tab.1 Viscioplastic parameters for Anand model of Sn3Ag0.5Cu

表2 IMC層的模型參數(shù)Tab.2 Model parameters of IMC

表3 PBGA各材料參數(shù)Tab.3 Material parameters of PBGA

1.3 邊界條件及載荷施加

由于模型的對稱性以及實(shí)際受力情況，模型中x=0處的邊界條件設(shè)置為約束所有節(jié)點(diǎn)在x方向的位移。將PCB板底面的中心點(diǎn)（模型中的位置為左下角的點(diǎn)）設(shè)置為參考原點(diǎn)，約束其所有方向的位移。對模型中所有節(jié)點(diǎn)施加相同的熱載荷，忽略PBGA內(nèi)溫度梯度的變化，初始溫度參考室溫25 ℃。溫度載荷參照美國 ML-STD-883軍標(biāo)，溫度范圍為-55～+125 ℃，見圖3，選取四個(gè)周期數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖3 溫度循環(huán)曲線Fig.3 Temperature profile used in thermal cycling simulation

2 結(jié)果分析

無鉛焊點(diǎn)在周期性的熱載荷循環(huán)作用下，其內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變也隨之發(fā)生周期性的變化，其中芯片邊緣的下方的焊點(diǎn)塑性變化最大、最容易發(fā)生疲勞破壞，此點(diǎn)為關(guān)鍵焊點(diǎn)。這是由于在熱循環(huán)時(shí)，焊點(diǎn)周圍材料變形位移值不同，且隨著溫度變化而變化，導(dǎo)致焊點(diǎn)周圍承受拉壓應(yīng)力應(yīng)變與剪切應(yīng)力應(yīng)變，循環(huán)結(jié)束后積累了大量的塑性應(yīng)變。芯片與周圍材料的熱膨脹系數(shù)相差近10倍，因此芯片邊緣下方的焊點(diǎn)比其他位置焊點(diǎn)的塑性應(yīng)變值更大。關(guān)鍵焊點(diǎn)為焊點(diǎn)群的薄弱環(huán)節(jié)，疲勞裂紋容易產(chǎn)生并擴(kuò)散，最終導(dǎo)致焊點(diǎn)失效。在熱循環(huán)載荷作用下，不同厚度的IMC層對于關(guān)鍵焊點(diǎn)位置沒有影響，均是位于芯片下方的焊點(diǎn)上，關(guān)鍵焊點(diǎn)出現(xiàn)在基板與銅盤的連接處的右上角。選取關(guān)鍵焊點(diǎn)的右上方進(jìn)行受載歷程后處理，此處積累的塑性應(yīng)變最大，最易失效。整體及關(guān)鍵焊點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變云圖見圖4、圖5。

圖4 等效塑性應(yīng)變云圖Fig.4 The equivalent plastic strain nephogram

圖5 關(guān)鍵焊點(diǎn)等效塑性應(yīng)變云圖Fig.5 The key solder joint equivalent plastic strain nephogram

2.1 關(guān)鍵焊點(diǎn)的Mises等效應(yīng)力與等效塑性應(yīng)變分析

關(guān)鍵焊點(diǎn)Mises等效應(yīng)力與時(shí)間變化如圖6所示。Mises等效應(yīng)力隨著熱載荷的周期變化而呈現(xiàn)周期性變化，在第三、四周期時(shí)趨向于穩(wěn)定，其最大應(yīng)力值也有增大的趨勢。在一個(gè)周期內(nèi)，在升溫階段IMC熱膨脹系數(shù)逐漸增加，最終接近于焊料的熱膨脹系數(shù)，在高溫保持階段，Mises等效應(yīng)力值急劇下降。當(dāng)溫度下降時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力松弛。在低溫保持時(shí)，其Mises等效應(yīng)力值緩慢減小。

圖6 關(guān)鍵焊點(diǎn)Mises等效應(yīng)力-時(shí)間曲線Fig.6 The key solder joint Von Mises stress-time curve

關(guān)鍵焊點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變與時(shí)間的變化如圖 7所示。等效塑性應(yīng)變隨著循環(huán)載荷的周期呈現(xiàn)周期性變化，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，等效塑性應(yīng)變隨著循環(huán)次數(shù)的增加積累量也逐漸增加。對于關(guān)鍵焊點(diǎn)內(nèi)的等效塑性應(yīng)變的分布圖沒有明顯的影響，但最大等效塑性應(yīng)變隨著IMC層的厚度增加而增大。由于熱膨脹系數(shù)不同，在升溫階段關(guān)鍵焊點(diǎn)等效塑性應(yīng)變隨著溫度增加而增大，與時(shí)間無關(guān)。分析Mises等效應(yīng)力與等效塑性應(yīng)變隨時(shí)間的變化趨勢，可以得到關(guān)鍵焊點(diǎn)在高溫和低溫保溫階段表現(xiàn)為彈塑性力學(xué)行為，在升溫和降溫時(shí)表現(xiàn)為蠕變力學(xué)行為。

圖7 關(guān)鍵焊點(diǎn)等效塑性應(yīng)變-時(shí)間曲線Fig.7 The key solder joint equivalent plastic strain - time curve

2.2 關(guān)鍵焊點(diǎn)的可靠性分析

PBGA焊點(diǎn)熱疲勞壽命采用修正Manson-Coffin經(jīng)驗(yàn)方程進(jìn)行計(jì)算：

經(jīng)過計(jì)算，得到IMC層厚度不同的焊點(diǎn)的壽命，如圖8所示。當(dāng)IMC層的厚度增加時(shí)，焊點(diǎn)的壽命隨之逐漸下降，通過對IMC厚度與壽命的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合。采用分段函數(shù)擬合可以更好地描述 IMC厚度與壽命的關(guān)系，得到在此工況下，IMC厚度與壽命的關(guān)系函數(shù)如下：

圖8 焊點(diǎn)的熱疲勞壽命隨IMC厚度變化曲線Fig.8 Thermal fatigue life curve of solder joints with the thickness of the IMC

根據(jù)圖8和擬合得到的公式（2），IMC層厚度在8.5 μm時(shí)，出現(xiàn)第一次拐點(diǎn)。當(dāng)IMC厚度小于8.5 μm時(shí)，其壽命減小的幅度較小，IMC對于焊點(diǎn)可靠性的影響不大，影響率僅有-32.8。當(dāng)IMC層厚度大于8.5 μm時(shí)，焊點(diǎn)的壽命急劇減小，影響率達(dá)到-404，此時(shí)IMC層厚度對焊點(diǎn)壽命可靠性影響較大。因此在實(shí)際工況時(shí)，應(yīng)盡可能控制IMC的厚度值在8.5 μm之內(nèi)，提高焊點(diǎn)壽命的可靠性。在厚度達(dá)到14.5 μm時(shí)，出現(xiàn)第二次拐點(diǎn)，此處為跳躍點(diǎn)，出現(xiàn)壽命急劇下降的趨勢。但是在此點(diǎn)前后兩段直線的斜率相似，厚度對壽命的影響率沒有明顯影響。

熱循環(huán)載荷下，由于PBGA器件各層材料熱膨脹系數(shù)不同，造成各層材料發(fā)生不同程度的彎曲變形，隨著IMC層厚度增大，其彎曲變形時(shí)的截面慣性矩增大，使得彎曲撓度減小，IMC層整體的柔韌性降低，從而與焊點(diǎn)之間的彎曲切應(yīng)力增大，IMC層與焊點(diǎn)接觸邊角處的等效剪切應(yīng)變和等效塑性應(yīng)變增大，造成焊點(diǎn)疲勞壽命值減小。

3 結(jié)論

（1）封裝器件中的芯片右下方焊點(diǎn)內(nèi)的等效塑性應(yīng)力應(yīng)變累積量最大，最容易失效，是整個(gè)封裝件中的關(guān)鍵焊點(diǎn)，且關(guān)鍵焊點(diǎn)右上角與銅盤連接處的塑性應(yīng)變最大，為關(guān)鍵位置。

（2）PBGA器件中 IMC層的厚度對焊點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變有明顯的影響。IMC層厚度變化對等效應(yīng)力的變化趨勢影響不大，而等效塑性應(yīng)變隨IMC層的厚度增加而增大，且增大的速率越來越大。

（3）IMC層厚度對關(guān)鍵焊點(diǎn)的壽命有顯著的影響，關(guān)鍵焊點(diǎn)的壽命周期隨IMC層的厚度增加而減少。IMC層厚度小于8.5 μm時(shí)，對于壽命的影響不大。當(dāng)IMC層厚度大于8.5 μm時(shí)，其壽命急速降低。14.5 μm為跳躍點(diǎn)，壽命急劇降低，在跳躍點(diǎn)前后，壽命降低的速率幾乎不變。

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（編輯：陳渝生）

Effect of intermetallic compound thickness on solder joint reliability under thermal cycling loading

SONG Yuhan, YANG Xuexia, CUI Xiaochao
(School of Applied Science, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

Under thermal cycling load conditions, the effect of intermetallic compound(IMC) layers with different thicknesses on the reliability of solder joints was studied. The viscoplastic mechanic behavior of lead-free solder joints with the thermal loading condition was described by using Anand constitutive model. Finite element method was used to simulate the stress-strain variation rule for electronic package devices under thermal cycling condition and to identify the location of key solder joints, and the stress-strain-time curve for the key solder joints was obtained. Then the function relationship between IMC layer thickness and solder joint lifetime was found out by analyzing the relationship curve between IMC layer thickness and solder joint lifetime. The results show that under the thermal loading condition, the thicker the IMC layer is, the less reliability and lifetime of the solder joint. When the thickness of IMC layer reaches 8.5μm, the influence rate of IMC layer thickness on solder joint lifetime appears obvious change. The influence rate increases abruptly from -32.8 to -404. When the thickness of IMC layer reaches 14.5 μm, the lifetime data of the solder joint appears to jump.

intermetallic compound; equivalent plastic strain; thickness of IMC; thermal cycling loading; FEM;reliability

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.07.017

O34

A

1001-2028（2017）07-0085-04

2017-04-04

楊雪霞

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（No. 5157040251；No. 11602157)；山西省青年科技研究項(xiàng)目資助(No. 2015021017)；山西省高等學(xué)校科技創(chuàng)新項(xiàng)目資助(No. 2015167)；太原科技大學(xué)博士啟動(dòng)項(xiàng)目資助(No. 20132015)

楊雪霞（1985－），女，河北成安人，副教授，研究方向?yàn)槲㈦娮臃庋b金屬材料力學(xué)性能研究，E-mail: yangxuexia0124@126.com ；宋昱含（1992－），男，山東濟(jì)寧人，研究生，研究方向?yàn)殡娮臃庋b金屬材料性能及其力學(xué)行為，E-mail: songyuhan68@163.com 。

時(shí)間：2017-06-29 10:25

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170629.1025.017.html