無鉛制造的可行性與測試控制

向無鉛焊接的切換即不僅要確認(rèn)長期可靠性，和溫度（材料組）升至260℃時所發(fā)生的各種變化，還要對可制造性和測試能力進行確認(rèn)。如果這些基本結(jié)果不能達到，那么這種合金就不是一個合適的替代品。如果一種工藝不能生產(chǎn)出產(chǎn)品且保持可控，那么這種工藝就是不可行的。理解無鉛是怎樣影響到性能表現(xiàn)和工藝控制的，才是其執(zhí)行的核心內(nèi)容。

從高鉛材料（PbR）切換到無鉛材料時, 應(yīng)該加強對失效模式的分析(FMEA)。從機械學(xué)角度上看，典型的無鉛材料要比高含鉛材料硬。一般文獻中所引用的具有代表性的特性數(shù)據(jù)是源自一個固態(tài)樣本（標(biāo)準(zhǔn)的體積大小及質(zhì)量）。

不幸的是，回流后的焊料合金即不是標(biāo)準(zhǔn)的體積，也與初始的合金具有不同的成分（金、銅、鎳、鈀和其它金屬會污染合金，改變其機械參數(shù)）。我們?nèi)鄙倌軌驅(qū)Ρ惹驙詈蛪K狀焊點機械性能的、有凸點和無凸點倒裝芯片的、以及顯示無鉛合金機電性能改變的圖表。

對焊料凸點和外部環(huán)境間接觸區(qū)域的仔細檢查顯示出，硬度對插座設(shè)計，電氣接觸（阻抗和接觸電阻）以及整個產(chǎn)出有明顯的影響。不僅包括無鉛合金硬度增加帶來的問題，就連表面氧化物/助焊劑殘留的綜合效應(yīng)，也能在首次電氣接觸和接觸電阻上產(chǎn)生多種影響。

兩種現(xiàn)成的“BGA”器件（相同封裝，一種含鉛量高，另一種不含鉛；精確的合金成份與本次試驗無關(guān)）被用來評價焊料切換帶來的影響。圖1和圖2顯示了一個明顯的負荷變化情況，以證實類似的凸點變形。（形變程度和為形成電氣接觸而在凸點上所施加的最小外力有直接關(guān)系對于使用錫鉛合金的電氣接觸而言，是典型的形變情況）





如圖3和圖4所顯示的，在目標(biāo)負荷情況下，含鉛量高的器件會比無鉛合金器件發(fā)生最高可達50%的形變。當(dāng)負荷移走后，含鉛量高的器件會保留比無鉛合金器件多達75%的形變。這種現(xiàn)象和高鉛焊料的機械特性有關(guān)，并在銅互連封裝的倒裝芯片上表現(xiàn)得尤其明顯。改變凸點的化學(xué)成份會導(dǎo)致在冶金學(xué)和機械性能方面的一系列改變；很可能是由于銅在焊接過程中的溶解和形成新的合金造成的。





當(dāng)我們尋找改進安裝到插座上的BGA或探針卡上的倒裝芯片壽命的方法時，需要懂得如何從高鉛向無鉛切換才會影響到電氣和機械性能，那么，物理測試是必需的。對于倒裝芯片，為確定是否在提高產(chǎn)出的同時能維持更好的工藝控制，電氣機械特性的比較分析是必需的。伴隨著正確的工具設(shè)定（該過程使用改良自CSM儀表的工具），電氣接觸電阻——也包括確切的首次電氣接觸及機械持久力——能很容易獲得。

在評估中，我們確定了處于確切電氣接觸和機械形變之間的最佳接觸點，以便更好地進行工藝控制。數(shù)據(jù)顯示，從高鉛向無鉛的切換，在電氣或機械方面都不是一個簡單的轉(zhuǎn)換，這和回流溫度無關(guān)。這一方法也給研究者提供了一個早期的機會，以評估在焊料凸點的可靠性方面由于測試設(shè)備未對準(zhǔn)而造成的影響。

電氣機械數(shù)據(jù)提供給工藝/設(shè)計FMEA人員在合金選擇方法上一個無偏差的數(shù)據(jù)。相對建模方式，這一基于實際數(shù)據(jù)來選擇合適材料的方法，在插座配置和界面硬件的配置上，從工程方面去除了憑猜測所做的工作，做到了“一次正確”的設(shè)定。合金的電氣機械特性的確定不僅僅幫助了封裝設(shè)計人員，也為器件設(shè)計提供了支持。無論在機械還是電氣方面，由于將器件裝入插座并測試而需要增加的負荷，硅片或許會被損壞。同樣重要地，如果實現(xiàn)電氣接觸所需要的力超過機械負荷極限時，具有低介電常數(shù)（Low K）結(jié)構(gòu)的倒裝芯片將會面臨可靠性的問題。

小幾何尺寸的高鉛倒裝芯片凸點在實現(xiàn)電氣接觸時，通常每個凸點需要承受15到20克的力。我們的團隊使用了一個經(jīng)改裝的“CSM－Instruments”的微米級硬度工具，針對模擬穩(wěn)定電氣接觸和產(chǎn)出所需要的力的變量做出快速的評估。結(jié)果顯示，相對于錫鉛焊料，無鉛材料可能需要增加70%甚至更多的負荷（這個結(jié)果由四點探針機構(gòu)的 Kelvin 連接確認(rèn)過了，顯示了一個74%的差別。CSM工具使用了大約5分鐘，而使用 Kelvin 連接可能需要將近兩周時間才能得到結(jié)果）。代替標(biāo)準(zhǔn)測試模塊的電阻系數(shù)和硬度，設(shè)計者和工藝工程師需要向焊料和儀器供應(yīng)商索要這類數(shù)據(jù)。

上述因素在FMEA上可能帶來更大的變化，并且對性能產(chǎn)生影響（對部件和器件是相似的），比如助焊劑殘留物，氧化物，合金污染物應(yīng)該和凸點合金一同被評估。清洗和其它通過去除助焊劑殘留和氧化物來清潔凸點的工藝，可以作為一個附加的標(biāo)準(zhǔn)，以便在一個實驗設(shè)計中得到驗證。DoE過程可以被概括為，針對凸點合金而建議采用正確的探針設(shè)計來匹配優(yōu)先的目標(biāo)產(chǎn)出，同時增加生產(chǎn)量和優(yōu)化硬件設(shè)計。

針對凸點的幾何形狀優(yōu)化探針設(shè)計是非常必要的，這有助于防止探針在有效刺穿助焊劑殘留物和氧化層，保證電氣連接的同時，對凸點產(chǎn)生損傷（要形成電氣接觸，有些凸點的形變是需要的；過多的負荷導(dǎo)致了損壞和產(chǎn)出率的降 (低)。該工藝已從幾個月（有臨界結(jié)果）被改進到了幾天（有精確的測試結(jié)果）。伴隨著正確的方法，不斷改進的工藝，以及器件和設(shè)備的優(yōu)化，一個完整的凸點形變和電氣優(yōu)化的分析用不了3天就可以完成。

最后，當(dāng)比較無鉛和高鉛焊料時，注意由于尺寸的變化，在倒裝芯片的焊料凸點和μBGA封裝間（250μm凸點幾何尺寸相對750μm），會產(chǎn)生耐久力的變化。當(dāng)加載了不同的負荷時，可以觀察到“形變”上的差別。實驗的結(jié)果是符合實際的測試數(shù)據(jù)的，其誤差小于5%（如果 Kelvin 連接是個因素的話，部分的誤差可以被消除）。對于測試硬件設(shè)計，預(yù)防性的維護（PM）和晶片的破裂而言，這一差別是非常關(guān)鍵的，尤其是當(dāng)無鉛凸點安裝在低介電常數(shù)焊盤上時。在封裝或晶片上過多的負荷可能導(dǎo)致部件的損壞和設(shè)備的停機。如果使用無鉛焊料，尤其是使用在低介電常數(shù)結(jié)構(gòu)上時，一個和這里所討論的某個類似的分析方法，可能對市場銷售和可靠性的改良是有幫助的。