王小偉，王鳳江

(江蘇科技大學,鎮(zhèn)江,212000)

0 序言

為了滿足電子產(chǎn)品小型化、低功率、低成本和多功能化的市場需要，電子制造及封裝已經(jīng)向著微型化的方向快速發(fā)展，特別是3D 芯片異構(gòu)集成封裝提供了大量的跨尺度封裝，增加了電子元件設計和生產(chǎn)的靈活性[1-2]，同時由于焊點尺寸的穩(wěn)步減小，放大了焊點的物理冶金效應和微觀結(jié)構(gòu)演變，即存在焊點尺寸效應的問題，導致各級芯片封裝互連結(jié)構(gòu)的焊點性能存在顯著差異.

在界面反應方面，Adawiyah 等人[3]研究表明，隨著焊點尺寸的減小，界面金屬化合物的厚度有顯著的增加.焊點尺寸對界面化合物尺寸的影響不僅體現(xiàn)在化合物的整體厚度，對單個界面化合物晶粒的尺寸和形貌也會造成影響[4-6]；Fan 等人[7]研究表明，200～ 500 μm 焊點經(jīng)過一次回流焊后界面單個化合物晶粒分別呈現(xiàn)出塊狀、八面體狀和針狀，界面化合物的尺寸和形貌的改變和焊點內(nèi)Cu 原子的擴散速度有很強的關(guān)聯(lián)性.Yang 等人[8]研究表明，Cu 原子的加入，小尺寸焊點中界面化合物從(Cu,Ni)6Sn5轉(zhuǎn)變?yōu)?Cu,Ni)3Sn4需要的時間更短.此外焊點的結(jié)構(gòu)和老化溫度對焊點尺寸改變的響應方式也不同.

在力學性能方面，焊點的宏觀幾何尺寸和微觀結(jié)構(gòu)尺寸都會影響其機械特性.Qin 等人[9]研究表明，小尺寸焊點有更高的抗拉強度，并且焊點的抗剪切強度也隨著焊點厚徑比的減小而增加，焊點從韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔裑10-11].

盡管目前針對焊點尺寸效應行為的研究已經(jīng)取得一些成果，但是焊點尺寸的改變對Sn-58Bi 焊點組織和性能的影響研究仍不充分.Sn-58Bi 釬料的熔點為138 ℃，更加接近傳統(tǒng)的Sn-Pb 釬料，有很好的工藝兼容性，并且低熔點有很大的優(yōu)勢.文中選用Sn-58Bi 釬料，對不同熱老化時間下的BGA 焊點的微觀形貌、界面行為和剪切力學性能進行對比，探討Sn-58Bi 焊點中尺寸效應行為.

1 試驗方法

采用直徑為300,400,760 μm 的Sn-58Bi BGA焊球，試驗所用的PCB 板為定制FR-4 基板，焊盤直徑為250,340 和600 μm.將助焊劑涂敷于PCB 板表面，將小球置于焊盤上，在氮氣氣氛下進行回流并隨爐冷卻，回流后使用酒精浸泡試樣去除表面殘留的助焊劑.

將回流后的試樣放置于熱老化試驗箱，進行熱老化試驗.考慮到Sn-58Bi 釬料的熔點為138 ℃，為獲得合適的界面IMCs 生長速率，并避免低熔點相的熔化，熱老化試驗箱溫度設置為100 °C，老化時間分別設置為20,40,60,80 d.將經(jīng)受設定老化時間的試樣取出進行鑲嵌、粗磨、精磨、粗拋、精拋，使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察制備好的試樣，并使用MATLAB 計算回流后顯微組織中錫相和鉍相的晶粒尺寸與不同熱老化時間試樣的界面IMC 厚度.使用剪切力試驗機對試樣進行剪切性能測試，剪切刀頭距PCB 板的高度為50 μm，剪切速度控制在0.1 mm/s.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊點尺寸對回流后顯微組織形貌的影響

根據(jù)Sn-Bi 二元合金相圖可知，Sn-58Bi 焊點中Sn 和Bi 元素不會產(chǎn)生化合物，在平衡凝固條件下，當溫度下降到138 ℃時，Sn-58Bi 產(chǎn)生共晶反應，由液相生成β-Sn 和Bi，最終顯微組織為富錫相和鉍相組成的共晶組織.一般而言，因為合金凝固時的過冷度比平衡凝固時的過冷度大，合金在常規(guī)的凝固條件下通常為非平衡凝固，在非平衡凝固條件下，Sn-58Bi 合金產(chǎn)生亞共晶反應，其凝固過程為L→L'+β-Sn(初生相)→β-Sn(初生相)+β-Sn +Bi，導致有初生相β-Sn 的形成.

圖1 是Sn-58Bi 焊點回流后的顯微組織形貌，圖中用紅色箭頭標注了初生相，3 種尺寸的Sn-58Bi焊點中都形成了長條狀的初生β-Sn 相，300 μm 焊點中形成的初生相貫穿整個截面，面積占比較大，而760 μm 焊點的初生相數(shù)量較多，單個初生相的面積占比較小.大塊初生β-Sn 相的形成是因為焊點在熔點溫度以下快速冷卻，在凝固過程中有較大的過冷度，不同尺寸焊點在相同的冷卻條件下具有不同的過冷度.焊點尺寸對過冷度的影響計算式為[12]

圖1 Sn-58Bi 焊點回流后顯微組織Fig.1 Microstructure of Sn-58Bi solder joint after reflow.(a) 300 μm;(b) 400 μm;(c) 760 μm

式中：djoint為焊點直徑；r為恒定的冷卻速率；ΔT為過冷度；ks為決于原子振動頻率的復合函數(shù)；γsl為晶核與液體之間的界面能量；LV為單位體積的熔焓；f(θ)為催化效力因子；TM為熔點；TN為凝固溫度；k為玻爾茲曼常數(shù).過冷度隨著焊點尺寸的減小而增大，加劇了凝固過程中的非平衡凝固.

圖2 為Sn-58Bi 焊點內(nèi)錫相和鉍相的晶粒尺寸統(tǒng)計.Sn-58Bi 焊點內(nèi)主要是樹枝狀的共晶形貌，導致3 種尺寸焊點內(nèi)都有許多微小尺寸的錫相和鉍相，300 μm 和400 μm 焊點內(nèi)錫相和鉍相的晶粒長度主要分布在0.5～ 3 μm，使得共晶相組織比較均勻、致密，760 μm 焊點內(nèi)存在數(shù)量較多的大面積的鉍相，焊點內(nèi)部分錫相和鉍相的晶粒長度達到了6～ 10 μm，760 μm 的焊點因為在冷卻過程中形成了過多的初生β-Sn 相，造成了局部成分偏析加劇，導致大尺寸焊點的熔點上升，同時增加了共晶形成后在高溫停留時間，延長了共晶長大的時間.固溶在錫中的鉍有更多析出的時間，使得鉍相更加粗大，也導致鉍相和錫相之間的層間距增大，整體形貌尺寸分布不均勻，并且鉍相是脆性相，大尺寸鉍相越多，焊點的脆性越大，不同尺寸焊點內(nèi)大尺寸鉍相數(shù)量的不同，直接導致焊點的力學性能產(chǎn)生差異.

圖2 Sn-58Bi 焊點晶粒尺寸統(tǒng)計Fig.2 Statistics of grain size of Sn-58Bi solder joints.(a) Bi;(b) Sn

2.2 焊點尺寸對界面反應的影響

圖3 為3 種尺寸的Sn-58Bi 焊點回流后及經(jīng)過不同老化時間的界面顯微組織，圖中灰白色為鉍相，淺灰色為β-Sn 相，深灰色為界面IMC.300 μm的Sn-58Bi 焊點回流后界面IMC 形態(tài)呈扇貝狀，如圖3a 所示，400 μm 和760 μm 焊點回流界面IMC不連續(xù)且有間斷現(xiàn)象，呈現(xiàn)鋸齒狀.Sn-58Bi 焊點中形成界面IMC 所需要的Cu 原子全部來自于焊盤，界面IMC 的平均厚度和形貌取決于流入界面的Cu 原子數(shù)量.圖4 為Sn-58Bi 3 種超尺寸焊點回流后以及經(jīng)過不同老化時間界面IMC 厚度統(tǒng)計,從圖中可知400 μm 和760 μm 焊點回流后界面平均IMC 厚度小于300 μm 界面IMC 厚度，這是因為300 μm 焊點有更短的Cu 原子擴散距離，Cu 原子的濃度梯度更大，加快了Cu 原子的擴散速度，使得單位面積焊盤上更多的Cu 原子從焊盤進入焊點，導致300 μm 焊點界面更厚的IMC 層.

圖4 Sn-58Bi 焊點在不同老化時間界面IMC 厚度Fig.4 IMC thickness of Sn-58Bi solder joints after different aging times

300 μm 焊點中扇貝狀I(lǐng)MC 層隨著老化時間的增加逐漸平緩，經(jīng)過40 d 熱老化時間后，扇貝狀I(lǐng)MC 成長為平板狀.400 μm 和760 μm 焊點的界面IMC 在老化40 d 時呈扇貝狀，IMC 之間生長不完全的現(xiàn)象消失，在老化時間達到80 d 后，呈現(xiàn)平板狀.300 μm 焊點界面IMC 形貌的轉(zhuǎn)變所需要的老化時間比400 μm 和760 μm 更短,因為300 μm焊點有最小的釬料球體積與焊盤面積比，300 μm 焊點中Cu 原子濃度上升的更快，焊點最先達到Cu 原子飽和，在熱老化過程中更多Cu 原子參與到界面IMC 的長大過程，導致300 μm 焊點界面IMC 形貌轉(zhuǎn)變需要時間更短，并且有最快的IMC 層厚度增長速度.

Sn-58Bi 焊點界面處IMC 層在老化過程中的生長由Cu 原子擴散機制主導，遵循拋物線生長規(guī)律，即IMC 層的生長厚度與時間的平方根成正比，其表達式為[13]

式中：t為時效時間；X為時效時間t時IMC 層的平均厚度；X0為時效開始時IMC 層的平均厚度；D為擴散系數(shù).通過式(2)中的值，可以得出焊點界面化合物的生長速率.3 種尺寸的Sn-58Bi 焊點在100 ℃老化過程中界面IMC 層的生長速率分別為0.324，0.283，0.249 μm/day1/2.可以看出300 μm焊點界面IMC 的增長速率大于400 μm 和760 μm 焊點的界面IMC 生長速率，焊點界面的擴散系數(shù)D也遵循同樣的規(guī)律，焊點尺寸越小，原子擴散系數(shù)越大，3 種尺寸Sn-58Bi 焊點界面反應的原子擴散系數(shù)D計算結(jié)果見表1.擴散系數(shù)D是表示粒子擴散速度的一個重要參量，它與溫度、固溶體類型、晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷和組元的濃度等因素有關(guān)，根據(jù)傳統(tǒng)的擴散理論，宏觀尺度下組元濃度很低或變化不大時，通常近似認為擴散系數(shù)D不受組元濃度的影響；而在細觀尺度下，微焊點受可擴散區(qū)域和參與界面反應物質(zhì)的量所限制，組元濃度隨擴散時間和溫度會發(fā)生明顯的變化，因而擴散系數(shù)D會隨之發(fā)生變化[14-15].微尺度下，微焊點的幾何尺寸通過影響組元的濃度變化間接影響界面元素的擴散.

表1 3 種尺寸焊點的原子擴散系數(shù)Table 1 Atomic diffusion coefficients for three sizes of solder joints

2.3 焊點尺寸對剪切性能的影響

圖5 為3 種尺寸的Sn-58Bi 焊點隨老化時間的抗剪切強度變化曲線.從圖中可知，回流后30 μm焊點的平均抗剪切強度高于回流后400 μm 和760 μm 焊點的平均抗剪切強度，達到了70.89 MPa.400 μm 和760 μm 的Sn-58Bi 焊點平均抗剪切強度分別為67.19 MPa 和60.97 MPa，Sn-58Bi 焊點的抗剪切強度隨著焊點尺寸的下降呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，因為300 μm 焊點界面IMC 為連續(xù)不斷的扇貝狀，扇貝狀的界面IMC 與釬料有較大的接觸面積，接觸強度也優(yōu)于間斷的鋸齒狀界面IMC.Bang 等人[16]在先前的研究也得出相同的結(jié)論，認為裂紋的擴展速率在不同尺寸焊點中存在差異，大尺寸焊點在剪切過程中存在更大的垂直分量，導致裂紋擴展速率加快，焊點更加容易失效.Qin 等人[17]驗證了拉伸載荷下焊料中高應力三軸度引起的機械約束效應同樣適用于承受剪切載荷樣品中.應力三軸度Rσ可定義為

圖5 Sn-58Bi 焊點隨老化時間的抗剪切強度Fig.5 Shear strength line graph of Sn-58Bi solder joints with aging time

式中：σm為靜應力；σeq為等效應力.二者計算式分別為

式中：σ1，σ2和 σ3為3 個主應力.在承受外載荷時，焊點銅基板、界面IMC 和焊料之間的彈性模量和泊松比收縮效應失配，產(chǎn)生了高的機械約束應力.隨著焊點高度的降低，機械約束力增加，σ1，σ2和σ3之間的差距縮小[18].根據(jù)式(3)～ 式(5)，焊點高度的減小，使得 σeq減小和Rσ提高，導致小焊點表現(xiàn)出了更強的抗剪切強度.

隨著老化時間的增加，Sn-58Bi 焊點的抗剪切強度不斷減小，時效80 d 后焊點最小的抗剪切強度分別為64.17，58.1 和50.93 MPa，最大下降幅分別達到了9.48%，13.53%和16.47%，這是因為界面IMC 在時效過程中從扇貝狀成長為平板狀，減少了與焊料基體之間的接觸面積和結(jié)合力，使得焊點的剪切性能呈現(xiàn)下降趨勢.

3 結(jié)論

(1) 小尺寸Sn-58Bi 焊點在回流后的共晶形貌更加均勻致密，大尺寸Sn-58Bi 焊點因為在凝固過程中形成了過多的初生β-Sn 相，造成局部偏析嚴重，形成較多大塊鉍相和錫相，整體形貌分布不均.

(2) Sn-58Bi 焊點尺寸的減小更有利于形成扇貝狀I(lǐng)MC 層，并且小尺寸焊點在熱老化過程中IMC 的生長速率更大.

(3) 小尺寸焊點中存在更大的機械約束效應，導致Sn-58Bi 焊點的抗剪切強度隨著焊點尺寸的減小而增加，這個趨勢沒有隨著老化時間的增加發(fā)生改變.