电子封装面临无铅化的挑战

摘 要：随着环境污染影响人类健康的问题已成为关注的焦点，电子封装业面临着向“绿色”无铅化转变的挑战，采用无铅封装材料是电子封装业中焊接材料和工艺发展的大势所趋。本文主要介绍了电子封装无铅焊料以及其他辅助材料的研究现况，并对无铅BGA：~十装存在的可靠性问题进行了讨论，进而指出开发无铅材料及工艺要注意的问题和方向。

关键词：电子封装；无铅焊料及工艺；可靠

中图分类号：TN305．94 文献标识码

1 引言

近年来，电子设备及系统正向轻、薄、短、小、低功耗、多功能、高可靠性等方向发展。为了满足这些要求，一方面半导体集成电路技术本身正向超微细化方向进展，特征尺寸从亚微米、深亚微米到纳米领域，实现了集成电路芯片性能的飞速提高；另一方面则带动了电子封装向高密度、多引脚、高可靠性及多功能的方向迅速发展。

20世纪初，真空二极管的发明标志着电子时代的开始，电子封装先后经历了电子管安装时期、晶体管封装时期、元器件插装时期、表面贴装(SMT)时期，封装技术也经历了从插入式(DIP)到表面贴装(SMT)、从四边引脚(QFP)到平面陈列(BGA)的两次重大变革。

焊球阵列封装是目前电子封装领域广泛应用的一种新型表面贴装封装形式，其I／O端子以球形或柱形焊点按阵列形分布。由于BGA封装引线间距大、长度短，消除了精细间距器件由于引线引起的共面度和翘曲问题，从而实现了封装的高I／O数、高性能、多功能及高密度化。按封装基板材料来分，BGA有四种基本类型：PBGA、CBGA、CCGA和TBGA。在此基础上，为满足多引脚、高散热能力、高频、低损耗、小型、薄形等特殊要求，派生出多种新型BGA形式——EBGA、S-MCP、FBGA、FCBGA等。

进入21世纪，电子封装技术正酝酿着第三次重大变革，正向超小型、超多端子、多芯片的高密度封装时期迈进，出现了高性能CSP芯片尺寸封装、倒扣FC封装、3D三维封装、WLP全硅圆片型封装、SoP／SiP系统级封装等先进封装形式，同时对封装材料及工艺也提出更高的要求。

由于铅具有良好的柔软性、延展性、低熔点和耐腐蚀性，被广泛用于电子工业的BGA、FC封装和SMT组装领域。然而，铅是有毒金属，大量的使用不仅会造成严重的环境污染，同时也极大地危害到人体健康。随着人类环保意识的不断增强，人们在追求产品高性能的同时，更注重它的无毒、绿色、环保等特点。限制或禁止使用铅的呼声日渐高涨，许多国家已先后制定了对铅的限制法规，电子工业的“无铅化”已成为今后发展的必然趋势，因此寻找、开发绿色无铅封装材料以及实施无铅工艺制程已成为当今电子工业所面临的重要课题之一。
2 无铅封装材料及工艺

2．1 无铅焊料

开发新型无铅焊料，要求其在熔点、强度、耐热疲劳及蠕变特性等性能方面与传统的Sn／Pb共晶焊料具有可比性。目前对无铅焊料的研究主要集中于几类以Sn为基体金属的合金体系(见表1)：SnAgCu系、SnZn系、SnBi系。

Sn-Ag系焊料在蠕变特性、强度、耐热疲劳等力学性能方面要优于传统的Sn／Pb共晶焊料，而浸润性稍差。Sn-Ag系焊料的缺点在于其熔点较高，比Sn／Pb共晶焊料(183℃)高出35-40℃，使用该焊料则需要更高的回流焊温度(-260℃)，这对待焊器件及PCB来说是个严峻的考验，对该焊料的研究不仅需要开发低熔点的合金系统，还应考虑提高电子器件及PCB的耐热性，Sn-Ag系焊料过高的共晶温度限制了它的广泛使用。目前研究表明， Sn-Ag系无铅焊料中添加少量Bi、Cu可降低合金熔点，其中SnAgCu系焊料接近实用化，具有良好的强度、抗疲劳特性和塑性。

Sn-Zn系焊料可实现与Sn／Pb共晶焊料接近的熔点，其力学性能也好且成本较低，有望达到实用化。但Zn是强反应性金属，易氧化致使焊料浸润性变差，且焊料的保存性较差，长期放置会引起结合强度变低。为克服易氧化问题，Sn-Zn系焊料须在氮气等非活性气氛中进行回流焊，确保良好的浸润性。另外，可添加能破坏氧化膜的合金元素，通过合金化抑制Zn的氧化。目前，添加3％Bi的Sn-Zn系合金已达到实用化。

Sn-Bi系焊料熔点低，可降低对电子器件及PCB耐热性的过高要求，且不存在经时变化及浸润性变差等问题，拉伸强度也较高。但该焊料一旦发生塑性变形，由于延伸率低而表现为脆性；同时存在因偏析引起的熔融现象，导致耐热性变差；此外，Bi系焊料晶粒的粗大化发生在80-125℃，会造成焊料强度下降。因此，需提高Bi本身的延性，同时严格控制回流焊的冷却速度，使Bi晶粒微细化。

总体上无铅焊料应满足熔点适中、浸润性优良、力学性能合格、抗疲劳性能优良、电阻率低等性能要求才能大规模使用。而目前开发出的无铅焊料往往顾此失彼，要全部满足这五个基本要求还有一定难度，这是无铅合金焊料研究的难点。

2．2 其他辅助材料

要彻底实现电子封装的无铅化，除了使用无铅焊料来代替传统的Sn／Pb共晶焊料，其他辅助材料(如焊膏、助焊剂、焊球凸点下金属层、元器件及PCB的电镀层、塑封材料等)也相应需要实现绿色无铅化。

2．2．1 无铅焊膏

无铅焊膏由无铅合金焊料粉、糊状焊剂和一些添加剂混合而成均质膏状混合物，具有一定粘性和良好触变性。目前开发对象主要是Sn-Ag系及Sn-Zn系合金系统，并对其浸润性、焊料微球飞溅、保存稳定性、耐迁移性等性能进行了系统研究。相对而言，Sn-Ag系(如93．0Sn／3．5Ag／0．5Bi／3．01n、88Sn／3．5Ag／0．5Bi／81n、96．5Sn／3．0Ag／0．5Cu)已获得接近实用化水平的特性，具有稳定的可印刷性、适当的浸润性及高温下良好的可焊性，且不需清洗，具有优越的环保性。

2．2．2 无铅助焊剂

焊接过程中的助焊剂主要起到辅助热传递、去除氧化物、降低表面张力及防止再氧化的作用。由于助焊剂和焊料合金间的化学反应会影响焊膏的流变学特性，为适应无铅合金特性，助焊剂必须重新配制，满足以下要求：

●不含卤素，无毒性，焊后对PCB无腐蚀性，残渣极少；

●可焊性优良，焊点饱满光亮，透锡性能好，焊后的PCB表面平整均匀，光洁度好；

●表面绝缘电阻高，电性能好。

免清洗助焊剂和水溶性助焊剂是随着电子工业发展及环境保护的要求而开发的新型助焊剂，适用于无铅焊接工艺。表2列出了传统的松香基助焊剂Rosin flux、免清洗助焊剂No-clean flux和水溶性助焊剂Water soluble flux的物理参数。

2．2．3 无铅焊球凸点的下金属层(UBM)

FCBGA(倒装芯片PBGA)，即芯片表面按栅阵形状布置I／O端子(芯片凸点)，以倒扣方式安装到布线板上实现电气焊接，是当前发展迅速的新型封装方式。

在芯片凸点材料FC技术中，为达到芯片凸点金属与原芯片灿布线及钝化层的良好粘结，且防止金属间化合物(IMC)的形成，一般应先在凸点金属下制备粘附层(Cr、Ti、Ni、TiN)-扩散阻挡层(W、Mo、Ni)-润湿层(Au、Cu、Pb／Sn)的多层金属化结构(如)。此外，UBM还充当芯片凸点的基底，保护电路不受外部环境的影响，降低IC焊点下方的应力。

采用无铅焊料时，由于其熔点比较高，高的焊合温度使无铅焊料与UBM薄层反应加剧，UBM的溶解速率增加，致使界面上金属间化合物(IMC)的形成速率增大。而且，无铅焊料凸点的Sn含量很高，互连过程中Sn基的无铅凸点会溶解UBM中的Cu和Ni，并形成多种不同的Cu-Sn和Ni-Sn金属间化合物。当润湿层消耗完，IMC将从粘附层剥离，形成脆性界面。因此，对于无铅焊料凸点的UBM设计，应考虑如何减小UBM中Cu或Ni的消耗速率。通常采用的UBM有Cr-Cu／Cu／Au、A1／Ni(V)／Cu等结构。

2．2．4 PCB焊盘及元器件引脚表面的无铅镀层

在无铅工艺过程中，PCB／元件引脚焊盘的表面处理必须与所用的无铅焊料完好匹配，原电镀的Sn-Pb层要改成无铅镀层。对PCB的无铅表面处理有：涂OSP(有机保护膜)、浸Ag、浸Sn、化学镀Ni／浸Cu；对元器件引脚的无铅表面处理有：电镀100％Sn、Pd／Ag、Ni／Pd、Ni／Sn、Ni／Pd／Au、NiAu等。

2．2．5 绿色环氧塑封料

采用无铅焊料时回流焊的温度要升高到约260℃，从而会引起一系列可靠性问题，如环氧塑封料与硅片／框架／基底之间的爆米花现象、应力过大造成的塑封料或硅片的裂缝等。因此，要实现无铅化封装，对环氧塑封料来说，不仅不能使用溴代环氧和氧化锑阻燃剂，还须通过高回流温度下对耐湿性、耐焊性的考验。 为满足无铅封装工艺的要求，对绿色环氧塑封料的研发，一方面在于开发无卤型阻燃剂，如磷型阻燃剂、金属氢氧化物型阻燃剂和多芳烃环氧／固化体系阻燃剂(表3)等；另一方面，通过增强环氧塑封料的机械强度、降低吸水率、降低应力及模量、增强粘结力等，开发出无阻燃剂型绿色环氧塑封料。

2．3 无铅材料的回流焊工艺

回流焊工艺可定义为：通过包镀、成形、印刷、浸渍等方法，预先将适量的焊料置于需要焊接的部位(预敷焊料)，再用红外线、热风(温风)或激光等不同热源加热该焊接部位，使其焊料熔化进行钎焊的方法。

典型的回流曲线分为四个区域：①预热区：对室温下的PCB进行预热，为PCB的进一步加热做好准备，升温速度不宜过快(2-3℃／s)；②保温区：即平缓升温的过程，历时60-120s，使各元件间及元件内部温度趋于稳定一致，减少温差；此阶段，助焊剂开始发挥活化作用，去除氧化物及杂质；且焊剂中的溶剂逐步挥发完全，不至于在焊接过程中由于温度急剧上升、溶剂的强烈挥发和气体膨胀导致焊点空洞、焊点飞溅等缺陷；③回流区：温度上升快，时间短，一般峰值温度比焊料熔点高20-40℃，焊接过程在这个区域内完成；④冷却区：选用适当的冷却速度，有助于得到明亮的焊点及好的外形和低的接触角。

由于无铅／有铅焊料特性不同，回流曲线有所差异()，SnAgCu焊料的峰值温度比63Sn／37Pb高出40℃左右。此外，无铅焊料润湿性普遍比传统的Sn／Pb共晶焊料差，且不能使用活性太强的助焊剂，因此可采用N2保护气氛下回流焊工艺以得到更好的焊接质量。研究证明，回流焊中采用N2气氛，可保护加热中的焊料及被焊器件等免受氧化，保证焊接的稳定性，改善焊料的浸润性和可焊性；可降低焊接界面处的缺陷密度，提高焊点的机械强度；且回流焊后残余物少，焊点更光洁。

3 无铅封装的可靠性问题
3．1 回流焊工艺中常出现的缺陷

回流焊工艺中出现的焊接缺陷主要有：回流焊中锡珠的形成(焊料与焊盘／器件引脚的浸润性差)、曼哈顿现象(元件两端受热不均匀)、桥接(焊料黏度低)、虚焊、PCB扭曲(PCB材料、设计不当，回流温度过高)等，这些焊接工艺中的不利因素都会引起封装的可靠性问题。

无铅焊料的回流峰值温度比传统Sn／Pb共晶焊料要高。因此，焊接过程中大的温差使得由焊点、PCB与封装材料间的CTE差异引起的不同材料界面间的热应力也随之增大；并且高温使得塑封料中所含的水份迅速汽化，造成封装分层、开裂、爆米花现象，同时可能引起PCB板变形翘起、掉板的问题。

3．2 无铅焊点的可靠性问题

随着无铅化电子封装的不断发展，无铅BGA技术将成为今后电子封装业的主流，同时其使用环境也趋于复杂化，如便携式电子产品(手机、笔记本电脑、MP3和PDA等)经常会遇到不慎跌落、外力扭曲等作用，无铅BGA焊点的可靠性问题已日益引起人们的重视。

研究表明，焊点失效主要表现为热疲劳失效和机械疲劳失效。在电子器件的使用过程中，频繁的通电／断电或者环境温度急剧变化，都会使BGA焊点产生很大的剪切应力，而产生这种应力的根本原因在于焊点、基底和PCB材料CTE的不匹配。同样，当器件处于震动、弯曲等机械应力／冲击的工作环境时，相应机械力作用主要集中在BGA焊点上，极有可能导致焊点的力学断裂或机械疲劳失效。焊点的缺陷主要表现为裂缝和空洞()。

研究表明无铅焊球与UBM间金属间化合物(IMC)的生成可以使两个界面形成良好的冶金结合，但IMC的生长、厚度增大会使焊点焊接界面变脆，对焊点的机械、热疲劳寿命产生不利的影响()。

中焊点界面IMC的生长阻碍应力的释放使界面处应力升高，导致焊点强度的下降。

4 结束语

无铅化是电子封装业的必然趋势，然而要真正实现封装的无铅化，使其从研发走向工业生产、从小批量生产转向大批量生产，在电子工业领域彻底取代锡铅焊接，需要考虑各方面的相容性问题()，包括：材料相容性(焊料及其他辅助材料)、工艺相容性(回流、检测、返修工艺)、设计相容性、可靠性相容性(热疲劳、机械应力)、设备相容性及成本问题。综合考虑各因素，处理好各方面的相容性，才能顺利实现电子封装向无铅化的转变。