摘要
为了应对RoHS和其它国际性环保法规，半导体业界正在进行封装的无铅 切换，在切换期间，有铅、无铅元器件和锡铅、无铅焊接工艺会并存。因为 有几类产品会充分利用RoHS指令有关焊料铅豁免的条款，继续用锡铅焊料进 行焊接，所以整个过渡期会延长，故无铅面阵列封装与锡铅焊接工艺的兼容 性就是一个关键问题。
“向后兼容”问题的起源在于对BGA封装来说，其焊球占整个焊点材料 比重很高(通常是70～80％)，同时从焊点金相结构上的一致性和可靠性的角 度来考虑，无铅BGA封装和锡铅焊膏组装会是一个主要问题。
在本文中，对于不同封装类型和不同工艺参数条件下的情况，阐述了混 合合金的焊接金相组织结构，并分析了焊点中铅混合量的情况。结果表明： 无论从成份一致性还是产生空洞的情况考虑，焊膏量（最终取决于合金中锡 含量）和回流温度在混合组装中起关键作用，均质焊点可以在不同回流温度 范围（210～230℃）条件下得到，它取决于在混合焊料合金中的锡含量。为 了改善直通率并形成更可靠的焊点，本文也给出了向后兼容组装的工艺优化 建议与意见。
虽然不推荐无铅面阵列封装用锡铝焊膏组装，但这 种组装工艺的确存在而且会继续存在一段时间。 虽然业界进行了许多这方面的研究工作，但用 锡铅焊膏焊接，BGA／CSP封装的无铅焊球是否应该熔化？ 用怎样的工艺条件加工？要实现均质微结构和可接受的可靠 性，这种组装条件下的最低峰值温度是多少？锡铅焊膏体积 和回流温度对混合合金焊点可靠性有什么影响？这些问题至 今还有争议[l～5]。为解答上述部分问题，本文集中讨论了混 合组装的工艺优化和金相组织结构，同时正在进行的研究将 有助于解决关键的可靠性问题，研究成果会在将来公布。
原理
当SnAgCu焊球用SnPb焊膏进行组装焊接时，因为Ag和 C u的含量相对较 少， 在混合合金 中铅和锡是两种 最主要的元素。 如果我们假设银 和铜对混合合金 的熔点温度影响 很小， 那就可以 用锡铅相图（ 如图1所示）来解释混合合金在不同回流温度下的特性。
回流时，当温度达到183℃以上，共晶锡铅焊膏开始 熔化并处于液态，液态锡铅扩散到SnAgCu焊球中，同时 SnAgCu焊球中的焊料（锡）开始溶解，直到达到浓度平 衡，锡分解到锡铅焊料的速度随着温度的增加而增加。在同 样的温度条件下，锡铅焊膏越多，从SnAgCu焊球中溶解出 来的锡就越多，锡的比例和相应“混合合金”的理论液体温 度关系如表1所示，这表明：锡铅焊料与SnAgCu焊球的体积 比，与温度一起共同决定了溶解和混合的程度。
要形成一致而且均质化金相微结构，锡铅焊料必须与 SnAgCu焊球进行充分混合，均质焊点被认为比非均质焊点 的可靠性更好[3]。那么为了让锡铅焊膏和SnAgCu焊球充分 均质化，所需的锡铅焊膏量和回流温度应该是多少？
在本研究中，混合合金中的铅和锡的比例可以用以下公式计算得到：
铅比例＝铅质量/(焊球中锡质量＋焊膏中锡重量＋焊膏中铅重量)×100％
锡比例＝锡质量/(焊球中锡质量＋焊膏中锡重量＋焊膏中铅重量)×100％
其中：
焊球中锡质量＝SAC305焊球密度×焊球体积×焊球中锡比例
焊膏中铅质量＝锡铅密度×实际焊料体积×焊球中铅比例
焊膏中锡质量＝锡铅密度×实际焊料体积×焊球中锡比例
锡质量＝焊球中锡质量＋焊膏中锡质量
需要注意的是，实际焊料体积与所施加的锡铅焊膏体积是不同的；锡铅焊膏量可以通过钢网厚度和开口进行控制。
试验
试验中，焊球成份为Sn3.0Ag0.5Cu（SAC305）的BGA元 器件用锡铅焊膏进行组装，根据预先计算好的锡比例控制所 印刷的焊膏量，焊膏体积用自动焊膏测量仪器进行测量并分 析。如前所述，为了实现充分混合，不同的锡比例所需的回 流温度不一样。
不同锡比例的样本在不同的回流峰值温度（210℃、 215℃、220℃、225℃、230℃）进行回流焊接，共设计了 20种不同的工艺组合条件，如表2所示。
回流炉设置只改变峰值温度，其它回流参数设置尽可能 一样，通常无铅回流不需要氮气，但为了减少变量的数量， 本研究中在回流时使用了氮气。高于锡铅熔化温度时间约为 80～90秒，这一时间对于保证达到浓度平和，尽可能实现锡 铅焊膏与SnAgCu焊球充分混合是必要的。210℃和220℃的 回流曲线如图2和图3所示，一个封装内的温度差异、理论和 实际值的温度差异通常在1～2℃。
使用2D穿透式X射线设备检测研究焊点中的空洞，用切 片和SEM分析来观察焊点的合金金相完整性和无铅焊料中铅 的混合情况。
结论与讨论
空洞研究与分析
结论表明：当锡比例增加，或当回流温度提高时，空 洞产生的比例和尺寸也越大。这说明如果我们增加锡铅焊膏 量，空洞产生的比例会减少，空洞尺寸也会变小。器件回流 温度较高时，会产生更多的空洞，其可能的原因是助焊剂与 温度的交互作用。
如图6和图7所示，高的锡比例和较低的回流温度会使 焊点中空洞很少，而且尺寸也很小（图6），相反，低的 锡比例和较高的回流温度会使焊点中空洞很多，尺寸也较 大（图7）。当锡比例为95％，回流温度为210％时，只有 1.9％的焊点有空洞，而且焊点中最大空洞的平均面积为 0.004mm2（图6）。另一方面，当锡比例为87％，回流温度 为230℃时，有9.2％的焊点有空洞，而且焊点中最大空洞的 平均面积为0.022mm2（图7）。
焊点特征研究和分析
用切片分析混合合金的焊点特征，令人惊讶的是，大多 数情况下铅都很好地混入SnAgCu焊球中，同时从上至下焊 点中铅的分布都相当均匀，只有锡比例为95％，回流温度为 210℃的情况例外（如图8所示），该案例中，在切片图上 富铅相看上去像经脉一样，在焊点的元器件一侧只有很少的 铅。焊点的微结构比常见的锡铅焊点（如图9）和SnAgCu焊 点（如图10）都更为粗糙。
在不同工艺条件下焊接得到的混合合金焊点的微结构 也有显著差异，锡比例和回流温度较高的样本中的富铅相更 小、散布得更细微（如图11所示），图12所示为锡比例和回 流温度较低的样本分析情况。
锡比例较低、回流温度较高条件下焊接得到的混合合金 焊点的微结构如图13所示，锡比例较高、回流温度较低条 件下焊接得到样本的焊点微结构如图14所示。一般地，回流 温度较低时，焊点中晶粒尺寸和富铅相会较大（如图12和图 14所示）；回流温度较高时，焊点会更均质，晶粒更一致(如 图11和13所示)。
对不同工艺条件下得到的样本进行SEM EDX光谱分析，各样本的富锡区域有相同的EDX光谱，如图15所示。
锡比例和铅比例的验证
通过测量焊点切片中锡和铅面积来估算实际混合合金焊 点中锡比例和铅比例。如图16 所示说明了如何选择铅面积。 表3总结了图16工艺条件下估算的铅／锡比例。混合合金焊 点中估算的锡比例为94.4％，与理论值95％接近。
为了评估铅是如何在一个非均质 焊点中扩散的，我们在焊点的不同位置 上计算铅的含量，表4所示了在锡比例 较高和回流温度较低条件下所得到焊点 的测量情况，在焊点的底部，铅比例约 4.3％，在焊点中部，铅比例约3.2％，在 焊点的上部，铅比例只有1.5％，数据表 明铅更多地集中在焊点底部，越靠近焊 点元器件一侧铅比例越少，说明铅是垂 直并渐进地扩散到无铅焊球中，且无铅 焊球是从底部开始熔化。
总结
锡铅焊料和SnAgCu焊球的完全混合情况取决于锡铅焊 膏与SnAgCu焊球的体积比和焊接温度。如果锡铅焊膏量合 适，即使回流温度低于217℃，也会发生完全混合。混合合 金焊点的可靠性研究正在进行。
参考文献
1. D. Hillman, M. Wells, K. Cho, “The Impact of Reflowing a Lead-Free Solder Alloy Using a in/Lead Solder Alloy Reflow Profile on Solder Joint Integrity , http://www.aciusa.org/leadfree/lead_papers.htm
2. T. Gregorich, P.Holmes, Low-Temperature, High-Reliability Assembly of Lead-Free CSPs , IPC Lead-Free Conference, Germany, 2003.
3. P. Snugovsky, A. Zbrzezny, M. Kelly, M. Romansky, Theory and Practice of Lead-Free BGA Assembly using Sn-Pb Solder , IPC/Soldertec Lead-Free Conference, 2005.
4. B. Nandagopal, D. Chiang, S. Teng, P. Thume, L. Anderson, R. Jay, J. Bath, Study on Assembly, Rework Process, Microstructures and Mechanical Strength of Backward Compatible Assembly , SMTA International Conference, 2005.
5. F. Hua, R. Aspandiar, T. Rothman, C. Anderson, G. Clemons, M. Klier, Solder Joint Reliability of Sn-Ag-Cu BGA Components Attached with Eutectic Pb-Sn Solder Paste . SMTA International Conference, 2002.
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