IMC层厚度对焊接可靠性的影响

IMC层厚度对焊接可靠性的影响

陆双凤

中天宽带技术有限公司江苏南通226463

摘要：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，无铅焊料的使用已经成为趋势。

关键词：金属间化合物；IMC厚度；可靠性

一、PBGA有限元分析

（一）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。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

图2焊点局部放大图

（二）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。

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1所示。其他各部分材料属性见表2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1IMC层的模型参数

表2PBGA各材料参数

（三）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1，选取四个周期数据进行分析。

图3温度循环曲线

二、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3等效塑性应变云图

图4

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2关键焊点Mises等效应力-时间曲线

关键焊点的等效塑性应变与时间的变化如图3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3关键焊点等效塑性应变-时间曲线

（二）关键焊点的可靠性分析

经过计算，得到IMC层厚度不同的焊点的寿命，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。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。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。

三、结束语

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。

参考文献：

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