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1、引言 
    進入二十一世紀之前，大多數商用電子元器件的同流溫度都設計在220℃左右，并以此溫度作為產品驗收的條件。然而，到了新世紀，由于需要使用無鉛焊料，電子元器件的性能標準改變為260℃，比以前增加了40℃。在這種情況下，要使產品維持原有的性能，就對生產和封裝人員提出了挑戰，成本核算人員也會感到壓力。電子封裝無鉛化的趨勢是不可阻擋的，問題是如何在規定的時間內成功地實現封裝向無鉛化的轉變，并且維持競爭的優勢，而又不會導致成本大大增加。
    對封裝人員而言，第一個任務就是對目前所使用的材料(塑封電路、芯片粘接材料、管腳涂敷材料等)在260℃時的性能作出評估。有一點是肯定的，那就是無論何種類型的封裝，在這個溫度下都存在兩個最重要的問題：一是金屬間化合物(IMC)的生長加快，二是潮汽敏感等級(MSL)降低。
    對塑封電路而言，目前已經認定，它的MSL會下降兩個等級。對薄形和小外形封裝(TQFPs)電路來說，它們的MSL下降會更大(MSL會下降到3級或4級)。MSL的降低給IMC的生長提供了機會，也縮短了基本壽命時間。為了保證產品的可靠性，在制造工藝的不同階段就需要采取更多的控制手段，并需要對產品進行質量認證。
2、無鉛焊接對封裝性能的影響
    在無鉛焊料中，SnAgCu焊料是通用的焊料之一。SnAgCu焊料中的銀成分有助于阻止金溶解到焊接點內，這一點很重要。這是南于在多層層壓板和PCB中，金常用作阻擋層。太多的金與錫接觸會引起有害的IMC的生成，導致焊接點阻抗的偏移，鍵合強度降低，甚至形成龜裂。金或金IMC也能遷離阻擋界面，從而把下層金屬暴露出來，為新的IMC的生長創造條件。
    含有金的封裝，諸如CSP和bga，組件和NiPdAu電鍍引線都具有較高的生成金IMC的危險。由于IMC可使阻抗值增加，從而使電路的電特性和機械特性發生偏移，最終導致產品的性能和可靠性降低。在尋找根本原因時，一個沒有經驗的產品工程師或可靠性工程師可能會錯誤地將問題定位在IC芯片上，這將導致不必要的項目延期和成本增加。
    在較低的溫度(大約125℃)時，IMC開始生長；在稍微高些的溫度(大約150℃)時，IMC生長加速。在老化(burn-in)、MSL烘烤、測試和SMT回流焊期間，封裝會重復經受上述溫度的考驗。
    在CSP／bga封裝中，焊料球是直接與金阻擋層接觸的，它的性能特別容易受到IMC的影響。界面裂紋、焊球從封裝上脫落下來、焊球剪切強度降低、器件性能參數和功能偏移等是常見的問題。正如圖1和圖2所示。
    圖1示出的是bga焊球的焊接剖面；圖2示出的是在經過125℃、4小時，接著150℃、4小時加熱處理后焊球界面產生的裂縫?；亓鲿r，還會經受更高的溫度，甚至會產生開路問題。
    目前大多數無鉛材料(塑封電路、芯片連接材料、PCB等)，并不是為承受260℃的溫度而設計的，而所用替代材料又不能保證電路原來的MSL，所以器件的MSL下降l至2級非常普遍。這就意味著對產品存儲期限帶來了影響，如表1。


    在設計封裝時，IMC的生成和MSL的降低是必須考慮的兩件事。它們中任何一個都會對硅芯片的優勢、成品率的改進和成本的節約產生負面影響。另外，不管設計是否能夠保證產品的短期、中期和長期的性能規范，負責可靠性的人員都必須對產品進行正確的認證試驗，以揭示風險并得出結論。
3、認證討論
    無鉛是企業的必由之路。但在產品中使用無鉛材料之前，需要對這些材料進行認證。在對材料進行認證試驗時，必須選擇正確的認證試驗方法，并對試驗結果作出正確判定。在進行認證試驗時，需要對無鉛材料(塑封電路、芯片粘接材料、層壓板等)進行并行研究，同時對金屬與金屬的相互作用進行深入研究。溫度循環(TC)和熱沖擊(TS)試驗是重要的認證試驗方法。
    對于傳統的錫鉛焊料的認證試驗，長期以來積累了數十年的試驗數據和操作經驗，可靠性管理人員就可以省去TC試驗，而使用TS試驗來代替TS和TC試驗，這樣可以節省數周的項目周期時間。試驗周期就可縮短至較短的TS試驗時間。然而，當使用無鉛材料時就不能不考慮TC試驗，因為TC試驗是評價焊料連接長期可靠性和IMC生長率的一個必要手段。圖3所示是在125℃下經歷24小時后的bga界面。


    圖4解釋了焊球尺寸從0.3 mm變為0.6 mm(誤差為±0.05mm)時是如何導致接觸面積變化七倍、焊球的剪切強度變化和空洞接收條件等變化的。上述的焊球尺寸變化也導致了焊球體積和質量上18倍的變化，以及影響IMC生成、剪切強度、空洞容許量等的變化。仔細研究錫銅合金相圖可以看到，金僅僅有4％(對于錫)的差異就會導致有害的的Ausn4金屬間化合物的生成。電鍍工藝變化，金屬層的誤差容限變差，甚至焊球直徑的一個小的改變，都會很容易地帶來長期可靠性方面的問題及經濟上的風險。因此，在封裝認證過程中，必須對相關的材料和工藝進行全面的認證。
4、結論
    在產品鑒定和研發方面，對于新的無鉛材料的相互作用的了解將起到重要的作用。在從有鉛到無鉛的轉變階段，半導體工業將持續開發新的封裝設計(改進老的設計)，我們必須了解錫鉛和無鉛材料的相互作用，這將有利于準時交貨、支持工序改善和成品率提高技術的完成。
    當正式向無鉛材料轉換時，還要考慮-些其它變量。如考慮到無鉛材料對產品中、長期可靠性的影響，認證時應該模擬實際的條件，如重復烘烤、老化、多次回流等，以了解這些條件對MSL變化和IMC生長的影響。 無鉛材料跟錫鉛焊料一樣被完全認知的時代即將來臨。到那時，擁有經驗豐富的材料工程師的企業在競爭優勢、客戶滿意度和經濟消耗上將會有明顯的優勢。