文章来源：SMT技术网  作者：邹嘉佳 李苗等

摘要：QFP封装由于具有良好的电和热性能、体积小、质量轻，在电子产品中被越来越广泛地推广和应用。针对混装工艺中的无铅QFP的可靠性，开展了高温存储、高压蒸煮和高温高湿试验，分别考察不同条件下金属间化合物层厚和结构的变化及其对剪切强度的影响。

关键词：QFP；混装；金属间化合物；可靠性

随着电子信息技术的蓬勃发展，尤其是单片微波集成电路（MMIC）和小型收发组件在民用、军用雷达和通讯系统中的广泛应用，迫切需要采用质量轻、体积小、成本低和可靠性高的元器件以实现更高的密度和集成度[1]。QFP（Quad Flat Package）芯片是指利用方形扁平封装技术加工制造的芯片。由于QFP封装过程操作方便、接触可靠，同时具有外形尺寸小、寄生参数小的显著优点，适合大批量表面贴装（SMT）生产，非常适用于高频电路，在电子行业中应用十分广泛，是半导体芯片中非常重要的一种。因此，尽管封装密度受到BGA（ball grid array）的挑战，QFP器件在电子工业中仍然占有重要地位[2-3]。由于《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》（RoHS，Restriction of Hazardous Substances）的强制执行，绝大部分QFP器件制造厂商在制造时，引脚的表面涂覆都已改成无铅焊料，如镀锡、锡银铜、镍金、镍钯金等金属成分。在民用领域，与之匹配的焊料也多为锡银铜焊膏。而在高可靠要求的军工行业，仍然建议采用有铅焊料以保证可靠性和长期稳定性，因此产生了有铅无铅混装的大量需求。无铅QFP焊接时，如果使用有铅焊料同时采取传统工艺，就会出现有铅焊料与引脚的无铅电镀层不兼容的情况，强行采用就会带来各种焊接缺陷[4-6]。其中，最典型的失效为焊点金属间化合物IMC（Intermetallic Compound）引发的性能下降。一个完整的焊点由表面镀层、焊料合金、基板和引线框架等不同材料组成，是一个复杂的体系，焊接界面形成冶金结合的标志为IMC的形成，但是IMC的塑性差又使界面成为互连中的最脆弱的部分。混装中IMC的成分和结构对焊点可靠性的影响是极为复杂的，因此掌握IMC 的形成和界面反应是评估混装焊点可靠性的重要手段[7]。本文考察了在混装条件下QFP金属间化合物层在不同环境测试下的变化及其对力学性能的影响。

1 实验测试

用QFP为100引脚，引脚为Sn镀层。所用焊膏为SnPbAg2，SMT回流炉温度设置如图1所示，其中8段温区温度分别设置为：150 ℃、145 ℃、145 ℃、155 ℃、180 ℃、240 ℃、255 ℃和265 ℃。

　　图1 回流焊温度曲线组装后试样

依据GB/T 17359-1998：电子探针和扫描电镜X射线能谱定量分析通则进行SEM/EDX测试。环境测试选择为高温存储、高压蒸煮和高温高湿试验。高温存储试验依据JESD22-A103C，试验条件为+125 ℃+10-0，1 000 h。高压蒸煮试验依据JESD22-A102C，试验条件为121±2 ℃，100%RH，205 kPa，96+5-0 h。高温高湿试验依据JESD201，试验条件为55±3 ℃，85%±3% RH，1 000 h。

2 结果与讨论

2.1 初始试样性能组装后QFP引脚垂直方向和水平方向的显微剖切图片如图2所示，从图2可见，焊点焊接情况良好，无虚焊发生。试样引脚处IMC层的形貌及成分分析如图3所示。从图3可见，IMC的形貌在向焊料的生长方向上有不规则的锯齿状，其厚度计算见表1，平均厚度为1.53 μm。对IMC层进行EDX（Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy）打点分析结果见表2，其中Cu元素和Sn元素的原子数比约为1.16，基本等同于6∶5，说明其中大部分成分为Cu6Sn5。试样的剪切力测试结果见表3，说明此时发生的失效模式主要为焊料的脆性断裂。

　　（a）垂直方向                                            （b）水平方向图2 SMT焊点显微剖切图片

　　          （a）引脚6                                                                  （b）引脚25

图3 初始试样焊点IMC层形貌及成分分析

表1 初始试样IMC层厚度

表2 初始试样焊点/Cu界面IMC的EDX能谱分析结果

表3 初始试样剪切力测试结果

2.2 高温存储试样性能

高温存储后试样引脚处IMC层的形貌及成分分析如图4所示。从图4可见，左右引脚的IMC厚度增长明显，锯齿状有所平缓，其厚度计算见表4，平均厚度为5.14 μm，与初始试样相比增长3倍以上，同时IMC层近焊料端存在若干微裂纹。对IMC层进行EDX打点分析结果见表5，其中Cu元素和Sn元素的原子数比约为1.23，与初始试样相比略大于6∶5，说明其中的Cu3Sn成分开始增加，但增量不大。试样的剪切力测试结果见表6，测试得到剪切力低于初始试样，同时失效发生的主要模式为IMC的脆性断裂，说明IMC层厚度的增加和成分的改变使其力学性能下降。

　　（a）引脚17      

　　（b）引脚25图4 高温存储试样焊点IMC层形貌及成分分析

表4 高温存储后IMC层厚度

表5 高温存储后焊点/Cu界面IMC的EDX能谱分析结果

表6 高温存储后剪切力测试结果

2.3 高压蒸煮试样性能

高压蒸煮后试样引脚处IMC层的形貌及成分分析如图5所示。与初始试样相比，高压蒸煮后试样形状变化不大。其厚度计算见表7，平均厚度为2.12 μm，与初始试样相比增长38.6%，同时IMC层近焊料端存在较多微裂纹。对IMC层进行EDX打点分析结果见表8，其中Cu元素和Sn元素的原子数比约为1.10，与初始试样相比差异不大，说明其中的成分未有很大变化。试样的剪切力测试结果见表9，测试得到剪切力明显低于初始试样，同时失效发生的主要模式为IMC的脆性断裂，说明IMC层的微裂纹使其力学性能显著下降。

（a）引脚14

　（b）引脚22

图5 高压蒸煮试样焊点IMC层形貌及成分分析

表7 高压蒸煮后IMC层厚度　

表8 高压蒸煮后焊点/Cu界面IMC的EDX能谱分析结果

表9 高压蒸煮后剪切力测试结果

2.4 高温高湿试样性能

高温高湿后试样引脚处IMC层的形貌及成分分析如图6所示。与初始试样相比，高压蒸煮后试样形状变化不大。其厚度计算见表10，平均厚度为1.32 μm，略薄于初始试样。对IMC层进行EDX打点分析结果见表11，其中Cu元素和Sn元素的原子数比约为1.10，与初始试样相比差异不大，说明其中的成分未有很大变化。试样的剪切力测试结果见表12，测试得到剪切力低于初始试样，但失效模式未发生变化。3 结论1）不同环境试验条件下，IMC厚度只在高温存储后有显著增加，说明IMC只在高温长时间环境下有高活性。2）IMC层成分结构在三种环境试验条件下均未发生较大变化，但是高温和高压会导致IMC层产生微裂纹，从而降低其力学强度。

　　（a）引脚7

　　（b）引脚25

图6 高温高湿试样焊点IMC层形貌及成分分析

表10 高温高湿后IMC层厚度

表11 高温高湿后焊点/Cu界面IMC的EDX能谱分析结果

表12 高温高湿后剪切力测试结果

3）三种环境试验均导致剪切力下降，其中高压蒸煮条件下剪切力下降程度最高，同时高压蒸煮和高温存储条件下断裂失效模式也发生变化。