SnAgCu无铅焊点低周疲劳行为研究

在25℃下利用单轴微力疲劳试验机对96.5Sn-3Ag-0.5Cu无铅焊点进行不同频率（1Hz~10Hz）和应变范围（2%~8%）的低周疲劳试验。结果表明,不同应变范围条件下无铅焊点的低周疲劳行为符合Coffin-Manson方程。频率修正的Coffin-Manson方程可以用来描述频率对无铅焊点低周疲劳寿命的影响。疲劳裂纹首先在焊点边缘的钎料与金属间化合物（IMC）之间的界面处萌生,随后,裂纹沿近IMC层的钎料内进行扩展。不同频率条件下焊点的断口形貌主要分为三个特征区域：裂纹萌生区、裂纹扩展区和最终断裂区。随着频率的升高,焊点的断裂机制由沿晶断裂向穿晶断裂转变。     

BGA结构Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu焊点低温回流时界面反应和IMC生长行为

采用差示扫描量热法将焊点的熔化行为表征与焊点回流焊工艺相结合,研究了球栅阵列（BGA）结构单界面Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu微焊点在钎料熔化温度附近等温时效形成局部熔化焊点时的界面反应及界面金属间化合物（IMC）的生长行为.结果表明,在钎料熔点217℃时效时,焊点中钎料基体仅发生界面局部熔化;而在稍高于熔点的218℃时效时,焊点钎料基体中全部共晶相和部分-Sn相发生熔化,且Cu基底层的消耗量显著增大,绝大部分Cu基底直接溶蚀进入钎料基体并导致界面IMC净生长厚度相对217℃时效时减小;等温时效温度升高至230℃时,焊点中钎料基体全部熔化,界面IMC厚度达到最大值.界面IMC的生长动力学研究结果表明,界面Cu₆Sn₅和Cu₃Sn层的生长分别受晶界扩散和体积扩散控制,但界面IMC层的晶界凹槽、晶粒粗化和溶蚀等因素对其生长行为也有明显影响.     

Ni-P消耗对焊点电迁移失效机理的影响

研究了Cu/Sn/Ni-P线性焊点在150和200℃,电流密度1.0×10⁴ A/cm²的条件下化学镀Ni-P层消耗及其对焊点失效机理的影响.结果表明,在Ni-P层完全消耗之前,阴极界面的变化表现为:伴随着Ni-P层的消耗,在Sn/Ni-P界面上生成Ni₂SnP和Ni₃P;从Ni-P层中扩散到钎料中的Ni原子在钎料中以（Cu,Ni）₆Sn₅或（Ni,Cu）₃Sn₄类型的IMC析出,仅有很少量的Ni原子能扩散到对面的Cu/Sn阳极界面.当Ni-P层完全消耗后,阴极界面的变化主要表现为:空洞在Sn/Ni₂SnP界面形成,Ni₃P逐渐转变为Ni₂SnP,空洞进一步扩展形成裂缝,从而导致通过焊点的实际电流密度升高、产生的Joule热增加,最终导致焊点发生高温电迁移熔断失效.     

热冲击条件下倒装组装微焊点的可靠性-寿命预测

采用有限元模拟法分析在-55~125℃热冲击过程中倒装微焊点的失效情况,结合模拟及试验数据,根据以能量为基础的Darveaux寿命模型预测关键焊点的疲劳寿命. 结果表明,组装体边角焊点最易失效,裂纹形成在芯片侧焊盘附近的焊料基体中,由焊点的外侧向内侧扩展;根据裂纹平均生长速率和微焊点累积塑性应变能密度,计算获得微焊点Darveaux寿命模型参数K₁,K₂,K₃及K₄分别为1 648.96,-0.234 9,0.004 79及-0.700 4,边角微焊点的疲劳寿命为6171次循环.     

驻留时间和加载速率对无铅焊点低周疲劳行为的影响

在25 ℃下利用单轴微力疲劳试验机对96.5Sn-3Ag-0.5Cu无铅焊点进行不同驻留时间(1~20 s)和不同应变速率(0.01~0.08 mm/s)条件下的低周疲劳试验. 结果表明,在25 ℃下1~20 s的驻留时间对焊点的疲劳寿命影响不大;随着应变速率的加快,焊点的疲劳寿命逐渐降低,断裂机制逐渐由延性断裂向脆性断裂转变. 不同应变速率条件下的疲劳裂纹主要在焊点边缘钎料与金属间化合物(IMC)之间的界面处萌生,并在近IMC层的钎料内扩展. 焊点断口主要分为:裂纹扩展区和最终断裂区.     

电迁移对Ni/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点界面反应的影响

研究了温度为150℃,电流密度为5.0×10³A/cm²的条件下电迁移对Ni/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点界面反应的影响.回流焊后在Sn3.0Ag0.5Cu/Ni和Sn3.0Ag0.5Cu/Cu的界面上均形成了（Cu,Ni）₆Sn₅型化合物.时效过程中界面化合物随时效时间增加而增厚,时效800 h后两端的化合物并没有发生转变,仍为（Cu,Ni）₆Sn₅型.电流方向对Cu基板的消耗起着决定作用.当电子从基板端流向芯片端时,电流导致基板端Cu焊盘发生局部快速溶解,并导致裂纹在Sn3.0Ag0.5Cu/（Cu,Ni）₆Sn₅界面产生,溶解到钎料中的Cu原子在钎料中沿着电子运动的方向向阳极扩散,并与钎料中的Sn原子发生反应生成大量的Cu₆Sn₅化合物颗粒.当电子从芯片端流向基板端时,芯片端Ni UBM层没有发生明显的溶解,在靠近阳极界面处的钎料中有少量的Cu₆Sn₅化合物颗粒生成,电迁移800 h后焊点仍保持完好.电迁移过程中无论电子的运动方向如何,均促进了阳极界面处（Cu,Ni）₆Sn₅的生长,阳极界面IMC厚度明显大于阴极界面IMC的厚度.与Ni相比,当Cu作为阴极时焊点更容易在电迁移作用下失效.     

SnAgCu无铅焊点低周疲劳行为研究（英文）

在25℃下利用单轴微力疲劳试验机对96.5Sn-3Ag-0.5Cu无铅焊点进行不同频率(1~10 Hz)和应变范围(2%~8%)的低周疲劳试验。结果表明,不同应变范围条件下无铅焊点的低周疲劳行为符合Coffin-Manson方程。频率修正的Coffin-Manson方程可以用来描述频率对无铅焊点低周疲劳寿命的影响。疲劳裂纹首先在焊点边缘的钎料与金属间化合物(IMC)之间的界面处萌生,随后,裂纹沿近IMC层的钎料内进行扩展。不同频率条件下焊点的断口形貌主要分为3个特征区域:裂纹萌生区、裂纹扩展区和最终断裂区。随着频率的升高,焊点的断裂机制由沿晶断裂向穿晶断裂转变。     

矩形片状元件无铅焊点断裂机制

采用微焊点强度测试仪测试了Sn-Ag-Cu钎料和Sn-Pb钎料钎焊的矩形片状元件钎焊接头的抗剪强度,并对焊点断口进行了扫描电镜分析.结果表明,Sn-Ag-Cu无铅钎料焊点的抗剪力明显大于Sn-Pb钎料焊点的抗剪力,但是两种焊点的剪切力变化曲线相似,表明焊点在剪切失效前都有明显的塑性应变过程.断口SEM分析发现,两种焊点的断裂位置都位于钎料与元件底面焊盘的界面处和钎料与元件侧面焊盘的界面处,且Sn-Ag-Cu钎料焊点的性能都比Sn-Pb钎料焊点的性能优异,说明Sn-Ag-Cu钎料完全可以替代Sn-Pb钎料钎焊矩形片状元件.     

RE含量及环境条件对SnAgCu钎焊接头蠕变断裂寿命的影响

采用搭接面积为1mm^2的微型接头，研究了Ce-La混合稀土（RE）含量和环境条件对Sn2．5Ag0．7CuxRE钎料钎焊接头蠕变断裂寿命的影响。结果表明：添加微量RE可改变钎焊接头界面层金属间化合物的几何尺寸及形态，从而影响SnAgCuRE钎料合金钎焊焊点的蠕变断裂寿命。当RE添加量为0.1％时（质量分数，下同），焊点界面金属间化合物尺寸小且均匀，蠕变断裂寿命最长，为SnAgCu焊点蠕变断裂寿命的8．4倍，其值明显高于商用钎料Sn3．8Ag0．7Cu焊点的蠕变断裂寿命。在相同条件下，焊点的服役温度升高、应力增加，将导致焊点的蠕变断裂寿命下降。     

冷热冲击对无铅钎料可靠性的影响

文中对比了一种新型低银钎料Sn-Ag-Cu-Bi-Ni（SACBN07）与市场上的SAC305,SAC0307两种无铅钎料的抗冷热冲击性能.利用纳米压痕试验等微观测试方法研究时效后界面组织及力学性能的变化.结果表明,SACBN07的抗冷热冲击性能最好,焊点失效后三种材料中裂纹的扩展路径不同,SAC305失效裂纹位于体钎料中,SACBN07钎料断裂位置逐渐由钎料基体转移到金属间化合物（IMC）层中,而SAC0307断裂位于界面IMC中;钎料中Bi,Ni元素的加入有效地抑制了IMC的生长,相同冷热冲击时间,SACBN07钎料中界面IMC厚度最薄;SACBN07体钎料的硬度受冷热冲击影响最小,时效后仅降低了8.6%,而SAC305与SAC0307分别降低了12.5%和28.3%.     

High temperature reliability of lead-free solder joints in a flip chip assembly

The visco-plastic behaviour of solder joints of two models of a flip chip FC48D6.3C457DC mounted on a printed circuit board (PCB) via SnAgCu solder is investigated using Anand's model. While the bumps of one of the models are realistic with 6 μm thickness of intermetallic compound (IMC) at interconnects of solder and bond pads, the other are made up of conventional bumps without IMC at these interconnects. The solder bump profiles were created using a combination of analytical method and construction geometry. The assembled package on PCB was accelerated thermally cycled (ATC) using IEC standard 60749-25. It was found in the result of the simulation that IMC does not only impact solder joint reliability but also is a key factor of fatigue failure of solder joints. The IMC sandwiched between bond pad at chip side and solder bulk is the most critical and its interface with solder bulk is the most vulnerable site of damage. With reference to our results, it is proposed that non inclusion of IMC in solder joint models composed of Sn-based solder and metalized copper substrate is one of the major causes of the discrepancy on solder joint fatigue life predicted using finite element modelling and the one obtained through experimental investigation.     

工艺参数对Sn-0.3Ag-0.7Cu/Cu焊点界面组织和力学性能的影响

互连焊点界面反应形成的金属间化合物(IMC)对焊点服役可靠性会产生显著影响。研究了不同工艺参数(回流温度、回流时间和回流次数)条件下,Sn-0.3Ag-0.7Cu/Cu焊点界面金属间化合物的演变及对焊点力学性能的影响,同时对焊点断裂机制进行了分析。结果表明,随着回流温度和回流时间的增加,金属间化合物η-Cu6Sn5相的形貌由贝状向板条状转变,并可观察到η相溶入焊点内部。在265℃回流时,随着回流时间增加,贝状η相不断长大,晶粒数不断减少;界面IMC的生长符合幂指数生长规律,其生长指数为0.339。回流次数对焊点剪切强度的影响为先增后减,断裂模式从纯剪切断裂到微孔聚集型断裂再到局部脆断转变。     

热、振及热振耦合条件下塑封球栅阵列含铅焊点失效分析

对塑封球栅阵列封装器件进行了热循环、随机振动以及热振耦合试验,在3种试验条件下测试Sn37Pb焊点的寿命,并对3种载荷条件下失效焊点位置的分布规律以及焊点的失效模式进行对比分析. 结果表明,塑封球栅阵列封装焊点在热振耦合试验中的寿命明显小于热循环以及随机振动试验的寿命结果. 热循环、随机振动条件下越靠近测试板中心位置,器件的焊点越容易发生破坏,而热振耦合试验中不同位置上器件的失效焊点数比较接近. 此外,热循环条件下破坏模式主要表现为钎料内部的韧性断裂,随机振动条件下主要为界面金属间化合物层内的脆性断裂,而热振耦合条件下这两种破坏模式均有发生.     

热冲击条件下倒装组装微焊点的可靠性——裂纹生长机理

研究热冲击条件下细间距倒装微焊点的裂纹萌生及扩展,通过观察裂纹生长路径,并结合累积塑性应变能密度及应变在焊点上的分布,分析裂纹的生长机理. 结果表明,裂纹形成在微焊点外侧,位于镍焊盘界面IMC与焊料基体之间的界面上;随着循环次数的增加,裂纹进入镍焊盘附近的焊料基体中,沿着焊盘平行的方向扩展,累积塑性应变能密度及应变在微焊点上的分布与裂纹扩展方向一致. 对裂纹生长机理探讨可知,IMC与微焊点之间的界面处于双重应力集中状态,因此裂纹易在微焊点及IMC之间的界面上萌生;随着循环次数的增加,焊料基体的塑性变形增加,高塑性的焊料区域为裂纹扩展提供了条件.     

SAC305/Cu微焊点界面金属间化合物生长速率

界面金属间化合物(IMC)的生长速率是影响钎焊接头可靠性的重要因素. 文中研究了焊点尺寸、时效温度及镍镀层对SAC305/Cu微焊点界面IMC生长速率的影响. 结果表明,焊球尺寸为200,300,400和500 μm,时效温度为100,130,160 ℃条件下,界面IMC层厚度生长速率随时效时间平方根数值的升高而增长. 焊点尺寸由小变大,界面IMC层厚度更薄,IMC的生长速率也更小. 随着时效温度的升高,界面IMC生长速率增大. 镍镀层对界面IMC的生长速率有明显的抑制作用,即降低IMC生长速率,使其增厚变缓.     

石墨烯纳米片增强的Sn-58Bi/Cu焊点可靠性

将不同含量（0%,0.025%,0.05%,0.075%,0.1%,0.2%,质量分数）的石墨烯纳米片（GNSs）添加到Sn-58Bi低温钎料中,研究了GNSs对钎料熔化温度、润湿性能、剪切强度、显微组织和界面反应的影响。结果表明：添加GNSs可以改善Sn-58Bi钎料焊点的润湿性能和抗剪切强度,但对其熔化温度的影响较小。随着GNSs的添加,钎料得到了相对细化的显微组织,界面金属间化合物（IMC）的厚度明显降低,并逐渐趋于平整。另外,随着GNSs的加入,Sn-58Bi钎料的剪切断裂模式从脆性断裂转变为脆性和韧性混合的断裂模式,这与其抗剪切强度的变化是一致的。因此,添加微量的GNSs是增强Sn-58Bi/Cu焊点可靠性的有效途径。     

BGA无铅焊点在跌落冲击载荷下的失效模式与机理

通过PCB组件跌落试验,探究了BGA封装的失效模式和失效机理;分析了焊球中裂纹的产生机理及扩展特点.结果表明,BGA封装失效的主要原因是焊球裂纹和PCB结构性断裂.焊球裂纹主要有两种,分别位于焊球顶部和根部,且产生机理不同.焊球顶部由于重力导致局部钎料不足而使焊球与阻焊膜之间产生间隙,进而形成裂纹;焊球根部则是由于残留助焊剂与焊球和阻焊膜之间存在间隙,在载荷作用下形成裂纹.裂纹的扩展与裂纹源的初始位置、方向及应力情况有关,焊盘与焊球的相对位置对裂纹的扩展有重要影响.     

Ni/Au镀层与SnPb焊点界面电迁移的极性效应

采用Ni(P)/Au镀层-SnPb焊点-Ni(P)/Au镀层的互连结构,研究电迁移作用下焊点/镀层界面金属间化合物(IMC)的极性生长特性,从电位差和化学位梯度条件下原子定向扩散的角度分析互连结构的微结构变化的微观机制。在无外加应力条件下,由于液态反应速率远远快于固态反应速率,Ni(P)/Au镀层与焊点界面IMC经过120℃、100h的热处理后无明显变化。但是,在电迁移作用下,由于Sn沿电子流方向的定向扩散使阳极界面IMC异常生长,而阴极界面IMC厚度基本不变。由于电子由上层Cu布线进入焊点的电子注入口位于三相结合界面位置,在焦耳热的作用下会导致焊料的局部熔融,引起Cu布线与焊料的反应,使电子注入口的Cu布线合金化。