低银SnAgCuBi-xNi/Cu焊点塑性及蠕变性能

借助纳米压痕方法,基于压痕做功和压痕蠕变的原理,对SnAgCuBi-xNi/Cu(x=0,0.05,0.1,0.15,0.2)低银焊点的塑性和抗蠕变性能进行了研究.结果表明,在SnAgCuBi-xNi/Cu焊点中,Ni元素含量为0.05%和1%,焊点的硬度和塑性提高,抗蠕变性能变化不明显,Ni元素含量为0.15%和0.2%,焊点的硬度和抗蠕变性能提高,但焊点塑性下降.Ni元素的添加有利于提高SnAgCuBi/Cu焊点的高温稳定性.在150℃下经400 h老化,焊点的抗蠕变性能随着Ni元素含量的增加而增强,含镍焊点的硬度均高于SnAgCuBi/Cu焊点,Ni元素含量为0.1%的焊点塑性最好.     

不同体积无铅微尺度焊点的蠕变力学性能

采用基于动态力学分析仪的精密蠕变试验方法,对比研究了5.34×107 μm3与7.07×106 μm3两种体积相差近一个数量级的无铅Sn-3.0Ag-0.5Cu微尺度焊点的高温蠕变力学行为与蠕变性能.结果表明,所有微尺度焊点的蠕变曲线均呈现初始蠕变、稳态蠕变和加速蠕变阶段.虽然微尺度焊点的体积存在较大差异,但是它们的蠕变激活能与蠕变应力指数均非常接近.此外,在相同的试验温度与拉伸应力作用下,大体积微尺度焊点的稳态蠕变速率相对小体积焊点更大,而蠕变寿命则呈现完全相反的趋势.     

Cu基板退火处理的Cu/Sn58Bi/Cu钎焊接头界面微结构

研究了铜基板退火处理对Cu/Sn58Bi界面微结构的影响. 结果表明,在回流以及时效24 h后Cu/Sn58Bi/Cu界面只观察到Cu₆Sn₅. 随着时效时间的增加,在界面形成了Cu₆Sn₅和Cu₃Sn的双金属间化合物(IMC)层,并且IMC层厚度也随之增加. 长时间时效过程中,在未退火处理的铜基板界面产生了较多铋偏析,而在退火处理的铜基板界面较少产生铋偏析. 比较退火处理以及未退火处理的铜基板与钎料界面IMC层生长速率常数,发现铜基板退火处理能减缓IMC层生长,主要归因于对铜基板进行退火处理能够有效的消除铜基板的内应力与组织缺陷,从而减缓Cu原子的扩散,起到减缓IMC生长的作用.     

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.     

基于纳米压痕法的无铅BGA焊点的循环力学行为

采用纳米压痕法通过循环加载卸载方式研究了最大载荷、循环次数及保载时间对Sn-3.0Ag-0.5Cu和Sn-0.3Ag-0.7Cu 2种钎料BGA焊点循环性能的影响.结果表明,Sn-Ag-Cu系无铅BGA焊点的循环性能具有很大的载荷依赖性,随着最大载荷的增加,BGA焊点的损伤累积增加且前几周循环中损伤累积很大,其后逐渐减小并趋于稳定;循环次数增加,使BGA焊点抵抗变形的能力稍有降低;保载时间增加,蠕变位移不断增加,蠕变和疲劳共同作用会加速焊点失效;Sn-0.3Ag-0.7Cu钎料BGA焊点的能量损耗大于Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料BGA焊点.     

FPGA焊点连接失效故障诊断

利用焊点内建自测(solder joint built-in self-test,SJ BIST)方法,建立球栅阵列(ball grid array,BGA)封装现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)焊点连接失效故障诊断的模型,用multisim进行仿真,并在Altera DE2平台上进行验证.结果表明,相比已有的文献资料,文中对SJ BIST诊断方法进行了更详细论证,更详细地确定了焊点阻抗大小,从而可得到更准确的FPGA焊点健康状态信息.     

BGA焊点剪切性能的评价

设计了用单个微焊球和两块带焊盘的FR4板焊接而成的搭接接头,研究了不同稀土含量及不同加载速率对接头强度及塑性的影响.结果表明,微量稀土(质量分数＜0.25%)不但能提高焊点的剪切强度,而且可以改善焊点的塑性.而当稀土含量进一步增加时,焊点的强度及塑性均下降.焊点的剪切强度及伸长量随应变速率的增加而增加.通过对焊点显微组织的分析可知,微量稀土可显著细化焊点的显微组织,特别是抑制了钎料内部及界面处金属问化合物的生长,从而改善了焊点的力学性能.对断口形貌的分析同样证明了伸长量随剪切速率增加而增加.     

田口试验法在PBGA焊点可靠性中的应用

在田口试验法的基础上,采用非线性有限元建模的方法对温度循环载荷作用下的PBGA(plastic ball grid array)焊点进行可靠性研究。PCB(printed circuit board)的大小和厚度、基板的大小和厚度、焊点的直径和高度、芯片以及塑封(EMC)的厚度等8个控制因子被选择用来填充L18田口正交表。通过田口试验法优化之后得到最佳的控制因子组合为A1,B3,C1,D2,E2,F3,G3,H3,其中最重要的4个因子为焊点直径A,PCB大小B,芯片厚度F,焊点高度G。结果表明,优化后的试验值和预测值分别比原始状态的试验值和预测值提高了2.87964和0.88286。     

电子互连无铅钎料及焊点蠕变行为研究进展

针对近年来无铅钎料及焊点的蠕变失效问题,综合评述了蠕变变形行为及其在焊点可靠性评估中的应用。首先系统地介绍无铅钎料的蠕变行为,探讨含合金元素/颗粒无铅钎料蠕变性能改性机制。其次评述焊点蠕变行为,探讨焊点成分以及不同基板材料对焊点蠕变特性影响的研究进展。再次结合具体电子器件,采用有限元模拟,分析基于有限元的焊点蠕变响应及疲劳寿命预测,评估焊点可靠性。最后针对无铅钎料及焊点蠕变行为的未来发展进行展望,分析其研究中存在的问题及解决办法,为焊点可靠性进一步研究提供理论支撑。     

应变率对无铅焊锡接点力学行为的影响

对150℃条件下经过0,72,288,500 h等温时效的Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊锡接点试样进行了应变率为2×10^-4,2×10^-2和2 s^-1的拉伸试验,研究了时效时间和应变率对焊锡接点抗拉强度和破坏模式的影响.结果表明,应变率对焊锡接点的抗拉强度有明显强化作用,抗拉强度随应变率的升高而增大.应变率从低到高的过程中,焊锡接点的破坏模式由焊料内部的韧性断裂逐渐转变为界面金属间化合物(intermetallic compound-IMC)层内的脆性断裂.     

Sn-9Zn/Cu无铅焊点ZnO须自发生长

研究了Sn-9Zn/Cu无铅焊点ZnO须自发生长行为.结果表明,在室温条件下Sn-9Zn/Cu无铅焊点因为富锌相的氧化,在富锌相表面自发生长出大量的ZnO须,ZnO须呈现针状、块状、花朵状等不同形态;对ZnO须进行FIB测试,发现在富锌相中出现明显的空洞,主要是因为Zn元素扩散导致的.另外,证实在Zn元素扩散与氧发生反应的过程中,富锌相发生体积收缩,诱使结构中出现明显的拉应力,拉应力为ZnO须生长提供驱动力.     

加载速率和钎料厚度对SnAgCu/Cu焊点剪切行为影响

采用四种加载速率(1,0.1,0.01,0.001 mm/s),对四种钎料厚度(0.1,0.2,0.3,0.6 mm)的SnAgCu/Cu搭接焊点进行了剪切破坏试验,分析了不同加载速率以及钎料尺寸对焊点抗剪切性能的影响,并通过扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析了剪切试样断口形貌、裂纹的萌生位置及扩展路径,阐释了SnAgCu/Cu焊点断裂失效机理. 结果表明,加载速率在0.001~1 mm/s范围内,焊点抗剪切强度随加载速率的增加而增大,不同加载速率条件下焊点的断裂模式都为韧性断裂. 不同钎料厚度的SnAgCu/Cu焊点随着焊点厚度的减小,其抗剪切性能提高,表现出明显的体积效应,其裂纹萌生位置逐渐由焊点内部向IMC层转移. 焊点断口形貌为拉伸撕裂型伸长韧窝和剪切平面,断裂机理为微孔聚集型-纯剪切复合断裂.     

低银SnAgCuBiNi无铅钎料润湿及溶解行为分析

对Sn0.8Ag0.5Cu2.0Bi0.05Ni（SACBN）和Sn3.0Ag0.5Cu（SAC305）无铅钎料的显微组织、润湿性能和溶解行为进行了比较研究.结果表明,SACBN钎料显微组织由β-Sn＋共晶体组成,共晶组织为在β-Sn基体上均匀分布细针状的Ag3Sn、粒状的（Cu,Ni）6Sn5和细小粒状的铋.在相同温...     

电迁移对低银无铅微尺度焊点力学行为的影响

研究了电迁移条件下不同电流密度(0.63~1.0×104 A/cm2)和通电时间(0~48 h)对低银无铅Sn-Ag-Cu微尺度焊点的拉伸力学行为的影响. 结果表明,电迁移导致了低银无铅微尺度焊点的抗拉强度显著降低,并且随着电流密度的增加或通电时间的延长,焊点的抗拉强度均呈下降趋势;同时电迁移还导致焊点的拉伸断裂模式发生明显变化,在经历高电流密度或长时间通电的电迁移后,焊点在服役条件下会发生由韧性断裂向脆性断裂的转变. 此外含银量高的微尺度焊点的抗电迁移性能更强.     

The embrittlement mechanism and improvement of impact strength for lead-free solder joints in BGA packaging using electrolytic Ni/Au plating

Impact strength evaluation and fracture mechanism analysis in board level of Sn–3mass%Ag–0.5mass%Cu solder joints of ball grid arrays (BGA) using electrolytic Ni/Au plating were performed. The cause of impact strength degradation of BGA solder ball joints is the existence of low density defects, which contain organic materials, in the (Cu,Ni)₆Sn₅ intermetallic compound grain boundary formed in the solder joints. These organic materials are taken in by the nickel plating film at the time of nickel plating. To improve the impact strength of the Sn–3mass%Ag–0.5mass%Cu solder joint of the BGA, it is necessary to lower the concentration of these organic materials. The contamination prevention and nickel plating bath sanitization, solder mask material selection (to minimize nickel plating bath contamination) and higher current density of nickel plating are effective to keep a lower concentration of organic materials in nickel plating film.     

RE对Sn2.5Ag0.7Cu/Cu焊点性能的影响

利用X射线衍射分析仪(XRD)和JSM-5610LV扫描电镜(SEM)研究RE含量对Sn2.5Ag0.7Cu/Cu焊点界面区显微组织、剪切强度和蠕变断裂寿命的影响。结果表明:Sn2.5Ag0.7CuxRE焊点界面区金属间化合物由靠近钎料侧Cu6Sn5和靠近Cu基板侧Cu3Sn构成;添加微量RE可细化Sn2.5Ag0.7Cu焊点内钎料合金的显微组织和改善钎焊接头界面区金属间化合物的几何尺寸及形态;当RE添加量为0.1%时,焊点的剪切强度最高,蠕变断裂寿命最长。     

回流焊冷却过程中PBGA焊点力学行为分析

以热弹塑性理论为基础,建立球栅阵列PBGA焊点在回流焊工艺中焊接应力的有限元模型,利用ANSYS的热结构耦合功能,采用生死单元法对Sn-Ag-Cu焊点回流焊的冷却过程进行数值模拟分析.焊点冷却结晶后的初始阶段,等效应力随温度的降低快速增加,当焊点的温度逐渐降低至室温时,等效应力为最大.结果表明,在回流焊接工艺中,PBGA焊点的裂纹极可能发生在焊料冷却结晶后的初始阶段,在焊点高应力集中区首先开裂,并在应力的作用下沿界面逐渐扩展.对焊料凝固初期冷却速率的控制是减少焊接裂纹产生的有效方法.     

无铅焊点金属间化合物的纳米压痕力学性能

研究Sn3.0Ag0.5Cu/Cu界面处的IMC在150℃下等温时效的生长情况,时效时间分别为100,300,500,1000 h.拟合出IMC的厚度与时效时间的关系,采用纳米压痕仪进行纳米压痕试验,发现Cu6 Sn5与Cu3 Sn的变形机制不同.Cu6Sn5为非连续性塑性变形,表现为压痕过程中的锯齿流变;Cu3 Sn的压痕曲线比较平滑.随Cu6Sn5厚度的增加,Cu6 Sn5的弹性模量和硬度没有太大变化.对时效100,500 h后的Sn3.0Ag0.5Cu/Cu界面处的过渡区进行纳米压痕试验,发现Cu,Cu3Sn,Cu6 Sn5和Sn3.0Ag0.5Cu的硬度大小顺序为Cu6 Sn5＞ Cu3 Sn＞ Cu＞ Sn3.0Ag0.5Cu.     

Capillary wave formation on excited solder jet and fabrication of lead-free solder ball

A survey of solder ball production processes especially focusing on disturbed molten metal jet breakup process was made. Then the formation of capillary wave on tin melt jet in the way of rapid solidification was studied. A semi-empirical formula, which can be written as λ = Cvib （σ/ρ）^1/3 f^-2/3 to predict the relationship between wavelength of capillary wave and frequency of imposed vibration was obtained. Sn-4.0Ag-0.5Cu lead free solder ball was successfully produced with tight distribution and good sphericity. The excited jet breakup process is promising for cost effectively producing solder ball.     

两种无铅钎料的抗蠕变性能与Sn60Pb40钎料的对比分析

对两种无铅钎料Sn-Ag-Cu-Bi和Sn-Ag-Sb模拟封装钎焊接头的蠕变和断裂行为进行了研究,并与传统的Sn60Pb40近共晶钎料进行了对比.结果表明,两种无铅钎料的抗蠕变能力均远优于Sn60Pb40近共晶钎料,其蠕变速率低且蠕变寿命长.钎焊接头蠕变断裂后的扫描电镜分析表明,两种无铅钎料钎焊接头的蠕变断裂呈现明显的沿晶断裂特征,而Sn60Pb40钎料钎焊接头的蠕变断裂机理则为穿晶断裂.