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
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 Cu 6 Sn 5 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 1 IMC 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。

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