电子封装面临无铅化的挑战方案.docVIP

摘 要：随着环境污染影响人类健康的问题已成为全球关注的焦点，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系焊料最接近实用化，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共晶焊料最接近的熔点，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