SnAgCu钎料焊点电化学迁移的原位观察和研究

SnAgCu钎料焊点电化学迁移的

原位观察和研究

摘要: 通过恒定电压条件下的水滴实验，对Sn-4Ag-0.5Cu钎料焊点的电化学迁移（ECM）行为进行了原位观察和研究。结果表明，树枝状的金属沉积物总是在阴极上生成，并向着阳极方向生长，在接触阳极的瞬间，发生短路失效。外加电压不超过2 V 时，形成的沉积物数目往往比较少并且粗大。焊点间距的减少和外加电压的增加都会使得ECM造成的短路失效时间显著缩短。当钎料不能完全包裹焊盘或者焊盘局部位置上钎料的厚度很薄时，发生ECM的金属除了来自钎料焊点，还来自Cu焊盘；钎料中的Ag 不发生迁移。

关键词:电化学；电化学迁移；SnAgCu钎料；焊点；原位观察

电化学迁移（ECM）是一个电化学过程。在一定温度和湿度条件下，当相邻的钎料焊点或连线之间存在电位差时，就有可能发生ECM。电位较正的钎料焊点或连线上的金属失去电子，发生电化学溶解，以离子的形式进行迁移，然后在电位较负的焊点或连线上沉积下来，生成树枝状导电沉积物，使得相邻的钎料焊点或连线之间发生短路，造成严重的可靠性问题。

目前，对于电子产品的电化学迁移性能的检测标准，通常采用美国印刷电路学会（Institute of Printed Circuits，简称IPC）的IPC—TM—650 Method 2.6.14.1抗电化学迁移试验（Electrochemical Migration Resistance Test）[1]。该测试方法是将具有一定图形结构的样片，在温度/相对湿度分别为（40 ± 2）℃/（93 ± 2）%、（65 ± 2）℃/（88.5 ± 3.5）%，以及（85 ± 2）℃/（88.5 ± 3.5）%的条件下，外加10 V的直流电压进行加速试验，通过500 h考察电阻的变化来确定电子产品的抗电化学迁移性能是否合格。但是该检测试验并不能告诉我们电化学迁移究竟是怎样一个过程。

为此，不同领域的研究人员都从各自专业角度开展了很多有意义的研究工作。研究方法主要有恒定电压和扫描电压两种条件下的水滴实验法[2, 8, 9, 10]，并且以短路失效时间、短路失效瞬间的电压和电流作为ECM

灵敏度的依据[2, 3]。

目前，国外对电化学迁移的研究报导较多[2~5]。

但是国内中文报导基本上没有。对于不同材质的基板，比如陶瓷或聚合物基板，由于化学组成以及表面状况的差异，在上述实验条件下的ECM 灵敏度是会不一样的，但涉及的电化学迁移过程具有很多共同点。笔者选用环氧树脂FR —4基板，利用水滴实验方法，对Sn-4Ag-0.5Cu 钎料焊点的电化学迁移行为进行研究，希望能对改进钎料包括抗电化学迁移在内的综合物理化学性能有帮助。1 实验方法 1.1 样片制备

首先，采用铜膜厚度为18 μm 的覆铜板，制作具有一定图形结构的基板（图1）。

图1 FR —4基板结构

Fig.1 Pattern of Cu laminations on FR —4 board

制作步骤如下：

裁板→前处理→压膜→曝光→显影→蚀铜→去膜→清洗→预镀锡→干燥→基板

利用轮廓仪扫描基板表面，测得锡镀层厚度为3.5 μm 左右。然后利用丝网印刷的方法涂覆钎膏，并进行回流。回流后，将样片依次在丙酮中超声清洗30 min 、乙醇中超声清洗10 min ，然后去离子水冲洗，压缩空气吹干，即得到实验用的样片。

为了研究焊点间距对短路失效时间的影响，制作了0.15，0.35，0.65和0.95 mm 四种不同间距的焊点样片。图1所示的是其中一种，对应间距为0.35 mm 。 1.2 实验设备和步骤

水滴实验装置主要包括以下几个部分：

皮安计（Model 6487, Keithley, USA ）——与计算机相连，既用作直流电源，又可同时读取和记录实验过程中的时间、电流和电压。

体视金相显微镜（6.5~40倍，MDG17，Wild Heerbrugg, Switzerland ）。

数字摄像机（Model GP KR —222E, Panasonic, Japan ），图像采集系统，显示器。

测试仪器有：

轮廓仪（Profilometer ），Rodenstock, RM 600 ST-100；

多功能显微镜（Multi-Function Microscope ），Zeiss Axioplan2；

扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope ，SEM ），LEJTZ-AMR 1200；

X 射线能谱仪（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy ，EDS ），Oxford INCA 200。

将样片固定在显微镜载物台上，滴加一滴（约0.04 mL ）1 M Ω・cm 的去离子水，然后施加一定外加电压就可以实验了。利用数字摄像机记录整个ECM 过程，然后回放录像或者利用计算机记录的电流随时间变化的数据构建I -t 曲线，就可以判断出短路失效时间。

2 结果和讨论

2.1 电化学迁移过程的原位观察 2.1.1 一般过程和特征

在体视显微镜下，可以很清楚地观察到电化学迁移造成短路失效的整个过程。图2给出了一个典型的ECM 过程。在图2中的小图中，左侧圆孤为阴极焊点，右侧的为阳极焊点。在滴加了去离子水并施加一定外加电压后，即可观察到回路中有电流通过。在经过较长的一段时间（即所谓的孕育期，图2中t C ）之后，在阴极焊点上的靠近阳极的距离比较近的位置上开始形成突出来的金属沉积物。这些突出的金属沉积物一旦形成，接下来的电化学沉积就会优先在这些位置发生，成长为树枝状的沉积物，并向着阳极的方向生长。一旦生长到阳极，立即引起短路失效，电流急剧升高

（图2中t S ）

。从图中还可以知道，长出金属沉积物突起需要的孕育期较长，但是一旦金属沉积物突起出现了，它就会在较短的时间内从阴极生长到阳极上，造成短路失效。

图2 ECM 过程I - t 曲线 ( 2 V , 0.95 mm )

Fig.2 I - t curve for ECM ( 2 V , 0.95 mm )

水滴实验中，电化学迁移的特征主要表现为：

（1）

施加外加电压后，水滴中的阴极上立刻会有气泡生成。当外加电压升到一定程度时，阳极上也有气泡生成。

（2）树枝状沉积物总是在阴极上产生，并向阳极

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