Ni和Bi元素对SnAgCu钎焊界面金属化合物生长速率的影响

通过加速温度时效方法研究Ni和Bi元素对低银(含银量小于1%,质量分数)Sn-Ag-Cu(LASAC)钎料界面IMC生长速率的影响。通过与高银钎料SAC305和低银钎料LASAC对比,分析添加Ni和Bi元素后LASAC钎料在高温时效过程中热疲劳抗性的变化情况。结果表明:LASAC/Cu、LASAC-Bi/Cu和SAC305/Cu界面IMC时效后均形成较厚的Cu3Sn层,LASAC-Ni/Cu界面经IMC时效后则形成较薄的(Cu,Ni)3Sn;高银钎料SAC305在180℃时效下IMC生长速率为2.17×10-5μm2/s,与之相比,低Ag钎料LASAC IMC在时效过程中生长速率较高,为3.8×10-5μm2/s;Ni和Bi元素的添加均可降低钎料LASAC/Cu界面IMC的生长速率,其中Bi的改善效果最显著,LASAC-Bi钎料的IMC生长速率为1.92×10-5μm2/s,低于SAC305钎料的IMC生长速率。     

SnAgCu／Cu微焊点界面IMC演变及脆断分析

随着电子产业无铅化进程的推进,Sn-Ag—Cu（SAC）系无铅钎料备受关注。然而目前市场主流SAC钎料Ag含量（质量分数,3％）较高,导致其成本高,焊点的脆性较大,所以开发低银无铅钎料十分必要。文中以新型低银SAC系钎料为研究载体,对低银无铅微焊点界面金属间化合物（IMC）演变行为及微观力学性能进行了研究．     

高温时效过程中SnAgCu钎焊接头显微组织的演化规律

研究了215℃时效过程中Sn3.8Ag0.7Cu无铅钎料焊点内部及与Cu基板界面处显微组织的演化规律.结果表明:试样在时效过程中的放置方式对显微组织的变化会产生重要影响.当钎料焊点处于Cu基板的上方时,215℃时效后显微组织的变化与以往170℃时效后显微组织的变化相似,即界面处金属间化合物层的厚度会随着时效时间的延长而逐渐增加.然而,当钎料焊点处于Cu基板的下方时,215℃时效后钎料焊点内部及界面处的显微组织发生了显著的变化,伴随着Cu基板的溶解在钎料焊点表面形成了大量的体积较大的金属间化合物Cu6Sn5.     

SnAgCu表面贴装焊点在时效和热循环过程中的组织及剪切强度变化

研究了SnAgCu/Cu和SnAgCu/Ni-P/Cu表面贴装焊点在时效和热循环过程中的微结构及剪切强度的变化,结果表明,SnAgCu与Cu的反应速率大于其与Ni-P的反应速率,经长时间时效后,SnAgCu/Cu焊点中SnAgCu与Cu的界面成为弱区,nAgCu/Ni-P/Cu焊点的剪切断裂则发生在Ｎi-P与Ｃu的界面,热循环过程中两种焊点均产生裂纹且强度下降,长时间热循环后Ｎi-P与Cu分层脱开,ＳnAgCu/Ni-P焊点失去强度。     

键合界面金属间化合物对可靠性影响的研究现状

在微电子封装过程中,键合丝被广泛应用,而键合可靠性对于产品的应用性能有着极大的影响,受到人们的广泛关注。键合丝与常用的铝焊盘之间是异质材料,在应用和服役的过程中会在界面上产生金属间化合物(IMC),对器件可靠性产生影响,同时,键合强度也与键合丝和焊盘之间的界面反应联系密切,因此了解键合丝与铝焊盘之间金属间化合物的形成与演变对键合可靠性的影响是有必要的。本文综述了Au/Al、Ag/Al和Cu/Al三种键合界面上金属间化合物的形成与演变的研究现状,并根据目前的应用状况,展望了未来的应用发展前景。     

AuSn钎料及镀层界面金属间化合物的演变

对激光软钎焊下AuSn钎料与Au和Au/Ni金属化镀层界面形成的金属间化合物进行SEM及EDX分析,并讨论激光输入能量对界面金属间化合物演变规律的影响.研究结果表明：在激光加热及快速冷却条件下,Au迅速溶解到界面附近的钎料中,使得成分偏离共晶点,界面处生成稳定的Au5Sn;随着激光功率及加热时间的增加,未完全溶解的Au层变薄,Au5Sn向钎料内部长大.     

热时效过程中微米级SnAgCu焊点的界面金属间化合物形成及演变

研究微米级倒装组装焊点在150℃热时效过程中界面金属间化合物(intermetalic compound,IMC)的形成及演化.结果表明,在热时效300 h后,受铜焊盘界面扩散过来的Cu原子影响,镍焊盘界面(Ni,Cu)₃Sn₄全部转化成(Cu,Ni)₆Sn₅;在铜焊盘界面,热时效至100 h后,形成一层薄的Cu₃Sn,在随后的热时效过程中,由于Ni原子对Cu₃Sn生长的抑制作用,Cu₃Sn几乎没有生长.此外在时效100 h内,两侧界面(Cu,Ni)₆Sn₅生长速率增加较快,但随着时效时间的增加逐渐减慢.两侧界面(Cu,Ni)₆Sn₅顶端形貌随着时效时间的增加逐渐变平.     

SnAgCu无铅钎料焊点结晶裂纹

针对印刷电路板(PCB)上无铅钎料SnAgCu微小焊点的结晶裂纹,利用设计的试件重现无铅钎料钎焊过程中产生的结晶裂纹,对无铅钎料结晶裂纹进行模拟,同时研究了微量元素的添加对SnAgCu合金焊点结晶裂纹形成的影响。结果表明,在尺寸很小的焊点上仍然存在明显的结晶裂纹。用焊点结晶裂纹的总长度定量地评价无铅钎料结晶裂纹的敏感倾向,添加Ni和Ce元素能够降低无铅钎料结晶裂纹的形成,而P元素的添加却加剧了结晶裂纹的形成,明显增加了焊点处的结晶裂纹。     

等温时效对SnAgCu焊点界面组织及剪切强度的影响

研究了Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu焊点分别在1、5、10min焊接时间后在373、403、438K时效温度下焊点界面IMC的生长和剪切强度随时效时间的变化,同时对焊点断口形貌及断裂模式进行了分析。结果表明,焊接时间越长,界面IMC层越厚。随着时效时间的延长,界面IMC不断增厚,其生长动力学符合抛物线生长规律,生长激活能为75.03kJ/mol;焊点剪切强度随时效时间增加不断下降,其断裂方式从开始的韧性断裂逐渐转变为局部脆性断裂。     

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.     

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.     

La对Sn-Ag-Cu无铅钎料与铜钎焊接头金属间化合物的影响

研究微量稀土La在钎焊和时效过程中对Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅钎料与铜基板的钎焊界面及钎料内部金属间化合物(IMC)的形成与生长行为的影响.结果表明:钎焊后钎焊界面形成连续的扇形Cu6Sn5化合物层,其厚度随La含量的增加而减小;在150℃时效100h后,连续的Cu3Sn化合物层在Cu6Sn5化合物层和铜基板之间析出,且Cu6Sn5层里嵌有Ag3Sn颗粒;界面金属间化合物总厚度随时效时间的延长而增厚,且在相同时效条件下随La含量的增加而减小;时效过程中金属间化合物生长动力学的时间系数(n)随着La含量的增加逐渐增大;钎焊后钎料内部Ag仍以共晶形式存在,时效后Ag3Sn颗粒沿钎料内部的共晶组织网络析出.     

FCBGA器件SnAgCu焊点疲劳寿命预测

采用Anand模型构建Sn3.0Ag0.5Cu钎料本构方程,分析FCBGA器件在无底充胶以及不同材料属性底充胶情况下焊点的应力分布.结果表明,无论底充胶存在与否,最拐角焊点上表面都是应力集中的区域.使用底充胶可以使焊点的残余应力减小,并且使其均匀分布于焊点上表面上.运用Engelmaier修正的Coffin-Mason模型计算焊点疲劳寿命,发现使用底充胶的器件焊点寿命明显高于无底充胶器件的焊点疲劳寿命.对底充胶属性参数研究发现,线膨胀系数的大小对焊点疲劳寿命影响很大,而弹性模量的影响却很小,通过参数的优化模拟,可以为底充胶的选择提供一定的理论指导.     

SnAgCu无铅微焊点剪切力学性能的体积效应

对直径200～600 μm的Sn3.OAg0.5Cu无铅微焊点进行了多次重熔及老化试验,并采用专业的微小焊点力学性能测试仪DAGE4000测试了焊点的抗剪强度,分析了焊点体积差异对焊点抗剪强度的影响,发现SnAgCu无铅焊点的抗剪强度随着焊点体积增大呈下降趋势,体现出明显的体积效应.讨论了老化时间及重熔次数对不同体积焊...     

无铅BGA焊点温度循环失效机理

随着无铅化进程的逐渐深入,针对无铅焊点的长期可靠性,业界已经做了大量研究,但是试验参数的选取一直也是业界比较有争议的问题,其关注点也是基于失效机理和失效模式的考虑。文中主要从金相和断口的角度出发,对温度循环焊点的失效特征进行了总结,指导后续可靠性试验及失效分析的开展。     

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.     

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.     

时效对Sn-Cu-Ni-xPr/Cu焊点组织与性能的影响

采用Sn-Cu-Ni-xPr无铅钎料对片式电阻进行钎焊试验,并且利用加速老化试验模拟片式电阻中焊点的服役环境,研究了时效过程中Sn-Cu-Ni-xPr焊点界面化合物层的厚度以及焊点抗剪强度的变化.结果表明,随着时效的进行,片式电阻Sn-Cu-Ni-xPr焊点的厚度不断增加,抗剪强度不断下降.与此同时,添加微量稀土元素Pr可有效提高Sn-Cu-Ni-xPr焊点的力学性能,当Pr元素含量为0.05%时,焊点力学性能优良,且在长时间的时效条件下仍然优于其它焊点.     

CSP器件无铅焊点可靠性的有限元分析

采用有限元方法对芯片尺寸封装(CSP)器件焊点可靠性进行模拟分析.运用Anand本构模型描述Sn3.OAg0.5Cu无铅焊点材料的粘塑性特性,研究了焊点的力学行为.结果表明,CSP焊点最大应力区为拐角芯片所下压的焊点上表面处,对焊点应力最大节点的时间历程后处理结果显示,温度循环载荷下,焊点应力呈周期性变化,并有明显的应力松弛和积累迭加效应.对三种常用不同焊点高度尺寸下的焊点应力进行对比分析,发现三种尺寸中,0.35 mm×0.18mm焊点的可靠性最好.还模拟对比了芯片厚度不同对焊点可靠性的影响,结果显示芯片厚度对焊点可靠性影响较小.

Abstract：

Finite element method was employed to analyze the reliability of soldered joint in a CSP device. Anand model was used to establish the constitutive equation of Sn3.0Ag0.5Cu solder, the stress behavior of soldered joint was studied. The results indicate that the maximal stress is located at the upper surface of the soldered joint which is under the outermost of chip. The phenomenon of stress relaxation and accumulated enhancement could be observed abviously from the curves of stress and temperature with time cycle. Reliability of soldered joints with three usually-used heights are compared, and the results shows that the 0.35 mm ×0.18 mm one has the best reliability. Moreover, the influence of chip thickness on the reliability of soldered joints are investigated in the last part, the simulation result indicates that the influence is little.     

锌铝合金钎焊接头组织结构研究

研制了钎焊锌铝合金的Cd-Sn-Zn钎料、ZnCl2-NH4Cl-KF钎剂,研究了锌铝合金炉中钎焊及火焰钎焊的工艺参数,并使用TEM．SEM和X-Ray对钎焊接头进行了分析。结果表明,经优化的炉中钎焊工艺参数为：加热温度320℃、保温时间15min、钎焊间隙0．14mm。钎焊接头界面区出现了大量的硬质点相,Cd与Mg2Cu6Al5之间存在（102）Cd／／（111）Mg2Cu6Al5,（220）Mg2Cu6Al5／／（010）Cd,（224）Mg2Cu6Al5／／（211）Cd的相结构关系,提高了接头的结合强度;界面区包含了母材和钎料中的所有物相且有一定宽度,界面区的Zn含量高且Sn分布均匀,表明钎料与母材发生了剧烈的扩散。