热载荷下金属间化合物厚度对焊点可靠性的影响

宋昱含，杨雪霞，崔小朝

（太原科技大学 应用科学学院，山西 太原 030024）

可 靠 性

热载荷下金属间化合物厚度对焊点可靠性的影响

宋昱含，杨雪霞，崔小朝

（太原科技大学 应用科学学院，山西 太原 030024）

研究了在热循环载荷条件下，不同厚度的金属间化合物IMC（Intermetallic Compound）层对焊点可靠性的影响。采用Anand本构模型描述无铅焊点在热载荷条件下的粘塑性力学行为，运用有限元模拟电子封装器件在热载荷循环下的应力应变的变化规律，确定关键焊点的位置，得到关键焊点的关键点的应力、应变与时间关系的曲线，分析IMC层厚度与寿命关系曲线，并确定其函数关系。研究表明：在热载荷条件下IMC层厚度越大，其焊点的可靠性越低，寿命越短。在IMC层厚度为8.5 μm时，IMC厚度对焊点寿命的影响率出现明显的变化，影响率由-32.8突然增加到-404，当IMC厚度为14.5 µm时，焊点的寿命值出现了跳跃。

金属间化合物；等效塑性应变；IMC厚度；热循环载荷；有限元；可靠性

随着工业技术的发展，微型电子封装器件在各个领域内发挥着举足轻重的作用。考虑到铅对环境以及人类生活的恶劣影响，无铅焊料的使用必定成为未来的趋势。无铅焊点的含锡量较高，导致其更容易产生金属间化合物(Intermetallic Compound,IMC)。IMC是由于焊料中的锡元素与被焊的金属元素的互相扩散、渗入生成的一层金属薄膜。然而在封装器件服役的过程中，IMC层会随之生长，增厚。且IMC层的厚度对焊点的疲劳寿命、韧性、抗剪压强度有较大的影响，几乎决定了电子封装器件的可靠性[1]。

对于IMC层的力学性能，有学者通过纳米压痕的方法对其进行了研究，发现IMC层的力学性能与焊料和Cu有很大区别，容易产生相对较大的应力集中，造成焊点失效[2]。Pang等[3]研究了高温停留、低温停留、热循环等温度时效下的IMC生长的情况，得到了热循环下，IMC的生长规律等理论。杨雪霞等[4-5]认为焊点尺寸越大，IMC层生长速率越小、厚度越薄；随着温度的升高其厚度生长速率增大。Xiao等[6]研究了焊点失效的模式为焊料与IMC层的界面失效，得到IMC层越厚，塑性功密度会更大，越容易失效的结论。

以上研究多是针对IMC厚度生长、力学性能，或者简单定性地研究了IMC存在对焊点可靠性的影响，因此，亟需对IMC具体的厚度值对焊点热循环载荷下可靠性定量的影响进行研究。本文根据文献[7]实验得到的IMC层达到的最大厚度值，以PBGA焊点为研究对象进行有限元模拟，考虑IMC层厚度范围为0.5 µm到22 µm，研究PBGA焊点应力应变分布情况以及其热循环寿命，得到IMC厚度对焊点可靠性定量的影响，并确定IMC层厚度与焊点寿命的函数模型。

1 PBGA有限元分析

1.1 建立有限元模型

以PBGA为参考对象，建立二维模型，由于结构和受载荷的对称性，取一半模型进行建模，并考虑平面应变的情况[8-9]。模型包括：PCB板、铜盘、芯片、基板、IMC层、焊料球、环氧塑封材料7部分组成。模型如图1所示，焊点、铜盘、IMC层详细结构如图2所示。

图1 二维PBGA有限元模型Fig.1 Two-dimensional finite element model of PBGA

图2 焊点局部放大图Fig.2 Partial enlargement of solder joints

1.2 材料属性的设置和单元类型

采用统一的塑性Anand本构模型来描述焊点的材料属性。PCB板和基板为正交各向异性的弹性材料模型[10-14]。Sn3Ag0.5Cu焊点Anand模型中各系数的取值见表1。

金属间化合物IMC层视为一种Cu6Sn5材料，假设为线弹性材料模型，其参数为表2所示。其他各部分材料属性见表3所示。线弹性和弹塑性材料选用PLANE182单元，焊球采用的是粘塑性材料模型，采用PLANE183单元。

表1 Sn3Ag0.5Cu焊料的Anand模型的粘塑性材料参数Tab.1 Viscioplastic parameters for Anand model of Sn3Ag0.5Cu

表2 IMC层的模型参数Tab.2 Model parameters of IMC

表3 PBGA各材料参数Tab.3 Material parameters of PBGA

1.3 边界条件及载荷施加

由于模型的对称性以及实际受力情况，模型中x=0处的边界条件设置为约束所有节点在x方向的位移。将PCB板底面的中心点（模型中的位置为左下角的点）设置为参考原点，约束其所有方向的位移。对模型中所有节点施加相同的热载荷，忽略PBGA内温度梯度的变化，初始温度参考室温25 ℃。温度载荷参照美国 ML-STD-883军标，温度范围为-55～+125 ℃，见图3，选取四个周期数据进行分析。

图3 温度循环曲线Fig.3 Temperature profile used in thermal cycling simulation

2 结果分析

无铅焊点在周期性的热载荷循环作用下，其内部应力应变也随之发生周期性的变化，其中芯片边缘的下方的焊点塑性变化最大、最容易发生疲劳破坏，此点为关键焊点。这是由于在热循环时，焊点周围材料变形位移值不同，且随着温度变化而变化，导致焊点周围承受拉压应力应变与剪切应力应变，循环结束后积累了大量的塑性应变。芯片与周围材料的热膨胀系数相差近10倍，因此芯片边缘下方的焊点比其他位置焊点的塑性应变值更大。关键焊点为焊点群的薄弱环节，疲劳裂纹容易产生并扩散，最终导致焊点失效。在热循环载荷作用下，不同厚度的IMC层对于关键焊点位置没有影响，均是位于芯片下方的焊点上，关键焊点出现在基板与铜盘的连接处的右上角。选取关键焊点的右上方进行受载历程后处理，此处积累的塑性应变最大，最易失效。整体及关键焊点的等效塑性应变云图见图4、图5。

图4 等效塑性应变云图Fig.4 The equivalent plastic strain nephogram

图5 关键焊点等效塑性应变云图Fig.5 The key solder joint equivalent plastic strain nephogram

2.1 关键焊点的Mises等效应力与等效塑性应变分析

关键焊点Mises等效应力与时间变化如图6所示。Mises等效应力随着热载荷的周期变化而呈现周期性变化，在第三、四周期时趋向于稳定，其最大应力值也有增大的趋势。在一个周期内，在升温阶段IMC热膨胀系数逐渐增加，最终接近于焊料的热膨胀系数，在高温保持阶段，Mises等效应力值急剧下降。当温度下降时，则会出现应力松弛。在低温保持时，其Mises等效应力值缓慢减小。

图6 关键焊点Mises等效应力-时间曲线Fig.6 The key solder joint Von Mises stress-time curve

关键焊点的等效塑性应变与时间的变化如图 7所示。等效塑性应变随着循环载荷的周期呈现周期性变化，且随着循环次数的增加，等效塑性应变随着循环次数的增加积累量也逐渐增加。对于关键焊点内的等效塑性应变的分布图没有明显的影响，但最大等效塑性应变随着IMC层的厚度增加而增大。由于热膨胀系数不同，在升温阶段关键焊点等效塑性应变随着温度增加而增大，与时间无关。分析Mises等效应力与等效塑性应变随时间的变化趋势，可以得到关键焊点在高温和低温保温阶段表现为弹塑性力学行为，在升温和降温时表现为蠕变力学行为。

图7 关键焊点等效塑性应变-时间曲线Fig.7 The key solder joint equivalent plastic strain - time curve

2.2 关键焊点的可靠性分析

PBGA焊点热疲劳寿命采用修正Manson-Coffin经验方程进行计算：

经过计算，得到IMC层厚度不同的焊点的寿命，如图8所示。当IMC层的厚度增加时，焊点的寿命随之逐渐下降，通过对IMC厚度与寿命的关系曲线进行拟合。采用分段函数拟合可以更好地描述 IMC厚度与寿命的关系，得到在此工况下，IMC厚度与寿命的关系函数如下：

图8 焊点的热疲劳寿命随IMC厚度变化曲线Fig.8 Thermal fatigue life curve of solder joints with the thickness of the IMC

根据图8和拟合得到的公式（2），IMC层厚度在8.5 µm时，出现第一次拐点。当IMC厚度小于8.5 µm时，其寿命减小的幅度较小，IMC对于焊点可靠性的影响不大，影响率仅有-32.8。当IMC层厚度大于8.5 µm时，焊点的寿命急剧减小，影响率达到-404，此时IMC层厚度对焊点寿命可靠性影响较大。因此在实际工况时，应尽可能控制IMC的厚度值在8.5 μm之内，提高焊点寿命的可靠性。在厚度达到14.5 µm时，出现第二次拐点，此处为跳跃点，出现寿命急剧下降的趋势。但是在此点前后两段直线的斜率相似，厚度对寿命的影响率没有明显影响。

热循环载荷下，由于PBGA器件各层材料热膨胀系数不同，造成各层材料发生不同程度的弯曲变形，随着IMC层厚度增大，其弯曲变形时的截面惯性矩增大，使得弯曲挠度减小，IMC层整体的柔韧性降低，从而与焊点之间的弯曲切应力增大，IMC层与焊点接触边角处的等效剪切应变和等效塑性应变增大，造成焊点疲劳寿命值减小。

3 结论

（1）封装器件中的芯片右下方焊点内的等效塑性应力应变累积量最大，最容易失效，是整个封装件中的关键焊点，且关键焊点右上角与铜盘连接处的塑性应变最大，为关键位置。

（2）PBGA器件中 IMC层的厚度对焊点的应力应变有明显的影响。IMC层厚度变化对等效应力的变化趋势影响不大，而等效塑性应变随IMC层的厚度增加而增大，且增大的速率越来越大。

（3）IMC层厚度对关键焊点的寿命有显著的影响，关键焊点的寿命周期随IMC层的厚度增加而减少。IMC层厚度小于8.5 µm时，对于寿命的影响不大。当IMC层厚度大于8.5 µm时，其寿命急速降低。14.5 µm为跳跃点，寿命急剧降低，在跳跃点前后，寿命降低的速率几乎不变。

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（编辑：陈渝生）

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

杨雪霞

国家自然科学基金项目资助（No. 5157040251；No. 11602157)；山西省青年科技研究项目资助(No. 2015021017)；山西省高等学校科技创新项目资助(No. 2015167)；太原科技大学博士启动项目资助(No. 20132015)

杨雪霞（1985－），女，河北成安人，副教授，研究方向为微电子封装金属材料力学性能研究，E-mail: yangxuexia0124@126.com ；宋昱含（1992－），男，山东济宁人，研究生，研究方向为电子封装金属材料性能及其力学行为，E-mail: songyuhan68@163.com 。

时间：2017-06-29 10:25

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