无铅倒装焊点的热应力与湿热应力分析

板上倒装芯片（FCOB）作为一种微电子封装结构形式得到了广泛的应用。微电子塑封器件中常用的聚合物因易于吸收周围环境中的湿气而对封装本身的可靠性带来很大影响。文章采用有限元软件分析了潮湿环境下板上倒装芯片下填充料在湿敏感元件实验标准MSL-1条件下（85℃／85％RH、168h）的潮湿扩散分布,进而分别模拟计算出无铅焊点的热应力与湿热应力,并加以分析比较。论文的研究成果不仅对于塑封电子元器件在潮湿环境中的使用具有一定的指导意义,而且对于FCOB器件在实际应用中的焊点可靠性问题具有一定的参考价值。     

倒装焊SnPb焊点热循环失效和底充胶的影响

采用实验方法 ,确定了倒装焊 Sn Pb焊点的热循环寿命 .采用粘塑性和粘弹性材料模式描述了 Sn Pb焊料和底充胶的力学行为 ,用有限元方法模拟了 Sn Pb焊点在热循环条件下的应力应变过程 .基于计算的塑性应变范围和实验的热循环寿命 ,确定了倒装焊 Sn Pb焊点热循环失效 Coffin- Manson经验方程的材料参数 .研究表明 ,有底充胶倒装焊 Sn Pb焊点的塑性应变范围比无底充胶时明显减小 ,热循环寿命可提高约 2 0倍 ,充胶后的焊点高度对可靠性的影响变得不明显     

倒装焊SnPb焊点热循环失效和底充胶的影响

采用实验方法,确定了倒装焊SnPb焊点的热循环寿命．采用粘塑性和粘弹性材料模式描述了SnPb焊料和底充胶的力学行为,用有限元方法模拟了SnPb焊点在热循环条件下的应力应变过程．基于计算的塑性应变范围和实验的热循环寿命,确定了倒装焊SnPb焊点热循环失效Coffin-Manson经验方程的材料参数．研究表明,有底充胶倒装焊SnPb焊点的塑性应变范围比无底充胶时明显减小,热循环寿命可提高约20倍,充胶后的焊点高度对可靠性的影响变得不明显．     

倒装焊焊点形态及其可靠性研究

本文采用Surface Evolver软件对倒装焊复合焊点的几何形态进行了模拟。通过非线性有限元方法研究有铅和无铅两种焊点在热循环作用下的应力应变关系，基于疲劳寿命C—M预测公式对焊点的热疲劳寿命进行预测与比较。     

倒装焊封装中无铅焊点在封装工艺中的热机械力学分析

采用粘塑性Garofalo—Arrhenius模型描述无铅焊料的蠕变行为，确定了96．5Sn3.5Ag焊点材料的模型参数。采用与固化过程相关的粘弹性力学模型描述倒装焊底充胶的力学行为。利用有限元法模拟了无铅板上倒装焊在封装工艺及热循环条件下的应力应变行为。结果表明由于无铅技术在封装中的引入，封装工艺对倒装焊器件的影响更为重要。     

固化残余应力对倒装焊底充胶可靠性的影响

通过对考虑固化过程影响的倒装焊底充胶的热－机械有限元模拟，分析了底充胶在固化过程中因体积收缩，材料的刚度增加及受周围材料的约束所产生的固化残余应力对随后热循环加载下底充胶应力分布与幅值的影响，得出了固化过程及其固化残余应力不但进一步劣化了热循环加载下底充胶中的应力值，而且还影响了随后底充胶的热－机械疲劳可靠性的结论。     

倒装焊中复合SnPb焊点形态模拟

本文给出了倒装焊(flip-chip)焊点形态的能量控制方程,采用Surface Evolver软件模拟了倒装焊复合SnPb焊点(高Pb焊料凸点,共晶SnPb焊料焊点)的三维形态.利用焊点形态模拟的数据,分析了芯片和基板之间SnPb焊点的高度与焊点设计和焊接工艺参数的关系.研究表明:共晶SnPb焊料量存在临界值,当共晶SnPb焊料量小于临界值时,焊点的高度等于芯片上高Pb焊料凸点的半径值;当共晶SnPb焊料量大于临界值时,焊点的高度随共晶SnPb焊料量的增加而增加.另外,采用无量纲的形式给出了焊点高度与共晶焊料量、焊盘尺寸、芯片凸点的尺寸,芯片重量之间的关系模型,研究结果对倒装焊焊点形态的控制、工艺参数的优化和提高焊点可靠性具有指导意义.     

固化残余应力对倒装焊器件热-机械可靠性的影响

采用底充胶的与固化过程相关的粘弹性力学模型,通过有限元仿真的方法,模拟了底充胶的整个固化过程,计算出了热循环加载下硅片、底充胶/硅片界面、底充胶内部的应力分布及其幅值大小。结果表明:底充胶的固化过程及由此产生的固化残余应力不但使得硅片中的最大垂直开裂应力位置偏离中心线达1.6 mm之多,而且还劣化了热循环加载下底充胶中应力幅值约6.25%。最后得出了固化残余应力对倒装焊器件热–机械可靠性的影响是不可忽略的结论。     

固化残余应力对倒装焊器件热–机械可靠性的影响

采用底充胶的与固化过程相关的粘弹性力学模型,通过有限元仿真的方法,模拟了底充胶的整个固化过程,计算出了热循环加载下硅片、底充胶/硅片界面、底充胶内部的应力分布及其幅值大小.结果表明:底充胶的固化过程及由此产生的固化残余应力不但使得硅片中的最大垂直开裂应力位置偏离中心线达1.6 mm之多,而且还劣化了热循环加载下底充胶中应力幅值约6.25%.最后得出了固化残余应力对倒装焊器件热–机械可靠性的影响是不可忽略的结论.     

倒装焊复合SnPb焊点应变应力分析

近年来,在微电子工业中,轻、薄、短、小是目前电子封装技术发展的趋势。因此,倒装焊技术应用越来越广,而焊点的可靠性在倒装焊技术中变得越来越重要。采用有限元软件,模拟、分析了焊点高度和下填料对焊点在热载荷作用下的应力应变值。     

Sb掺杂对SnAgCu无铅焊点电迁移可靠性的影响

向Sn3.8Ag0.7Cu无铅焊膏中添加质量分数为1%的Sb金属粉末,研究了其焊点在电流密度为0.34×104A/cm2、环境温度150℃下的电迁移行为。通电245h后,阴极处钎料基体与Cu6Sn5IMC之间出现一条平均宽度为16.9μm的裂纹,阳极界面出现凸起带,钎料基体内部也产生了裂纹。结果表明:1%Sb的添加使焊点形成了SnSb脆性相,在高电流密度和高温环境下产生裂纹,缩短了焊点寿命,降低了电迁移可靠性。     

无铅钎料焊点界面与剪切行为的研究

研究了三种不同合金钎料回流时间和老化时间对焊点界面行为和剪切性能的影响。结果表明:回流时间和老化对金属间化合物的生长和剪切力有相似的影响;焊后界面处和焊料中均有明显的金属间化合物;随着回流时间和老化时间的延长,金属间化合物生长明显。层厚不断增大;界面形貌从长针状转变成扇贝状,并且齿高减小;合金成分对剪切力影响不明显。在中速应变率下,剪切力减小。Sn-3.5Ag显现出较好的剪切性能,剪切力为77~82 N。     

低银无铅焊膏板级封装工艺和焊点可靠性试验

针对低Ag无铅焊膏的市场需求,研究开发了一种适用于99.0Sn0.3Ag0.7Cu低Ag无铅焊膏用松香型无卤素助焊剂(WTO—LF3000),配制了相应的无铅焊膏(WTO—LF3000—SAC0307),并对其板级封装工艺适应性及焊点可靠性进行了考察,用测试后样品的电气可靠性作为接头可靠性评价条件。结果表明:所开发的低Ag无铅焊膏熔点和润湿性符合产品实际要求。配制的焊膏印刷质量良好,焊点切片观察其孔隙率<25%,满足行业标准IPC—A—610D之要求。样品分别经跌落、震动和温度循环试验后,无焊点脱落等现象,电气功能正常。     

无铅钎料用无VOC助焊剂活化组分研究

对无铅钎料免清洗助焊剂用各类活化剂性能及机理进行了分析,通过润湿力研究选择出活化性能较好的丁二酸和戊二酸以及一种羟基酸。以此活化组分为基础配制了两种无挥发性有机化合物(VOC)免清洗助焊剂,并且根据SJ/T 11273—2002《免清洗液态助焊剂》的规定对该助焊剂进行了性能检测。结果表明,两种助焊剂无松香无卤素,固体含量低,润湿力大,腐蚀性小,扩展率达75%,助焊性能良好,可应用到无铅波峰焊中。     

微量Ni对Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料及焊点界面的影响

研究了Ni的含量对无铅钎料Sn-3.0Ag-0.5Cu润湿性、熔点、重熔及老化条件下界面化合物(IMC)的影响。结果表明:微量Ni的加入使SnAgCu润湿力增加6%;使合金熔点略升高约3℃;重熔时在界面形成了(Cu,Ni)6Sn5IMC层,且IMC厚度远高于SnAgCu/Cu的Cu6Sn5IMC厚度。在150℃老化过程中,SnAgCuNi/Cu重熔焊点IMC随着时间的增加,其增幅小于SnAgCu/Cu的增幅,此时Ni对IMC的增长有一定抑制作用。     

无铅焊膏的设计与展望

分析了无铅焊膏的构成和技术要求。对无铅焊膏用焊粉及助焊剂配方设计的现状进行了讨论,焊粉的成分多为Sn、Ag和Cu,粒度越来越多地采用20μm;助焊剂多为改性松香、有机酸活化剂等。展望了无铅焊膏的研究与发展趋势。     

FCOB器件在热循环载荷下的界面层裂研究

界面层裂是塑封半导体器件的主要失效模式之一。采用通用有限元软件MSC.MARC,研究了FCOB(基板倒装焊)器件在热循环(–55~+125℃)载荷作用下,底充胶与芯片界面的层裂问题。结果表明:底充胶与芯片界面最易出现分层,分层扩展的位置都在该界面的边缘拐角处;如果分层导致底充胶开裂,开裂的方向大约是35°。     

无铅焊膏用助焊剂的制备与研究

无铅焊膏用助焊剂需要一定的黏性,选择有机酸和有机胺混合作为活性物质,配合一定量的松香配制出一种助焊剂。通过控制助焊剂中松香的含量,降低不挥发物的含量,减少残留物对元器件的腐蚀。依据标准对所配制的助焊剂进行了性能测试,并与一种松香含量较高的助焊剂比较。结果表明:助焊剂的松香含量降低约10%,在260℃焊接后不挥发物含量降低了近6%,黏度较好,无卤化物,无毒,环保,符合焊膏用助焊剂的要求。