CBGA焊点热循环条件下的可靠性

研究了陶瓷球栅阵列（CBGA）器件在-55～125℃温度循环条件下的热疲劳寿命,采用光学显微镜研究了失效试件焊点的失效机制,分析了裂纹萌生和扩展的方式。结果表明,失效试件裂纹最先萌生于四周最外侧焊球上下界面外边缘处,随着循环次数的增加,裂纹沿该界面从焊球边缘向中心扩展,裂纹的萌生和扩展是该处应力应变集中、热循环和蠕变相互作用的结果。     

热循环对CBGA封装焊点组织和抗剪强度的影响

陶瓷球栅封装阵列(CBGA)器件的陶瓷基器件与印刷电路板之间膨胀系数的差异是导致焊点失效的主要因素,其可靠性一直是CBGA封装器件制造时需重点考虑的问题.研究了在-55～125℃热循环试验条件下,热循环对CBGA封装焊点的组织变化及对抗剪强度的影响.结果表明,随着热循环次数的增加,焊点的抗剪强度不断下降;随着热循环次数的增加,CBGA封装焊点在焊球边缘处开始萌生裂纹,然后裂纹沿着晶界扩展,最终导致完全失效.与此同时,焊点的组织变化的微观机制表现为焊点晶粒不断地长大,组织粗化,金属间化合物层逐渐增厚.     

极限温度下CBGA焊点热冲击疲劳寿命预测

深空探测的环境多为极低温大温变环境,研究电子器件在此极限条件下的可靠性具有重要意义. 采用多线性等向强化(MISO)本构模型描述Sn63Pb37和Sn96.5Ag3.0Cu0.5(SAC305)焊料的力学本构行为,分析陶瓷球栅阵列(ceramic ball grid array,CBGA)焊点阵列在极限温度(-180～+150℃)热冲击载荷下的应力应变分布情况,最后根据基于能量的Darveaux疲劳模型预测CBGA焊点的热冲击疲劳寿命. 结果表明,局部热失配导致应力最大点出现在边角焊点陶瓷载体一侧的焊盘与钎料界面,极限温度热冲击载荷下焊点的疲劳寿命远低于标准温度循环载荷下的疲劳寿命.     

镀银的铜引线与PCB焊盘平行微隙焊时的界面行为

研究了平行微隙焊过程中镀银的铜引线分别与PCB板上的裸铜焊盘及镀锡铜焊盘的接头特性.结果表明,对于Ag/Cu接头,接头的界面处两侧的Cu向中间的Ag处扩散较多.对于Ag/Sn/Cu接头,由于界面处Sn的分布受两侧的Cu向中间的Ag处扩散的影响,造成了Sn在界面处顶部和底部含量较高,中间含量低的分布.虽然Sn膜很薄,但是Sn的局部熔化导致了引线周围裂纹的产生,对接头的强度影响很大.Ag/Sn/Cu接头的拉伸强度低于Ag/Cu接头.因此利用平行微隙焊将镀银引线焊接到PCB板上时,建议采用裸铜焊盘而尽量不要采用镀锡焊盘.     

塑料封装球栅阵列器件焊点的可靠性

对比了充胶和未充胶塑料封装球栅阵列(PBGA)器件在-40 ℃～125 ℃温度循环条件下的热疲劳寿命,采用光学显微镜研究了失效样品焊点的失效机制,并分析了充胶提高器件热疲劳寿命的机制.实验发现底充胶可使PBGA样品的寿命从500周提高到2000周以上,失效样品裂纹最先萌生于最外侧焊球中近硅芯片界面外边缘处,界面处焊料组织粗化及界面脆性金属间化合物Ni3Sn2和NiSn3相的生成均促使裂纹沿该界面从焊球边缘向中心扩展.PBGA焊点界面处裂纹的萌生和扩展是该处应力应变集中、焊料组织粗化以及生成脆性金属间化合物等各种金属学和力学因素共同作用的结果.     

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.     

SAC焊点的耐热疲劳性能研究

以芯片级封装(CSP)器件的焊点作为研究对象,选用Sn96.5Ag3.0Cu0.5(SAC305)、Sn98.5Ag1.0Cu0.5(SAC105)、Sn63Pb37和Sn99.3Cu0.7等四种焊料制备CSP器件,研究了在热循环冲击前后CSP器件焊点的显微组织和电阻值变化率,以及热等温时效不同时间后不同焊料焊点的耐热疲劳性能。最后从设计与实际生产工艺角度提出改善电子产品耐热寿命的办法。     

热循环加载条件下PBGA叠层无铅焊点可靠性分析

建立了塑料球栅阵列(plastic ball grid array,PBGA)器件叠层焊点应力应变有限元分析模型,基于该模型对叠层无铅焊点在热循环载荷条件下的应力应变分布进行了分析,计算其热疲劳寿命,分析焊点材料、焊点高度和焊点最大径向尺寸对叠层焊点热疲劳寿命的影响.结果表明,与单层焊点相比,焊点叠加方式能有效提高焊点热疲劳寿命;采用有铅焊料Sn62Pb36Ag2和Sn63Pb37的叠层焊点比采用无铅焊料Sn-3.5Ag和SAC305的叠层焊点热疲劳寿命高;叠层焊点的高度由0.50 mm增加到0.80 mm时,焊点的热疲劳寿命随其高度的增加而增加;叠层焊点的最大径向尺寸由0.30 mm增加到0.45 mm时,焊点的热疲劳寿命随焊点的最大径向尺寸增加而减小.     

FCBGA器件SnAgCu焊点的热冲击可靠性分析

采用有限元法和Garofalo-Arrheninus稳态本构方程,在热冲击条件下对倒装芯片球栅阵列封装（FCBGA）器件SnAgCu焊点的可靠性进行分析. 结果表明,Sn3.9Ag0.6Cu焊点的可靠性相对较高. 通过分析SnAgCu焊点的力学本构行为,发现焊点应力的最大值出现在焊点与芯片接触的阵列拐角处. 随着时间的推移,SnAgCu焊点的应力呈周期性变化. Sn3.9Ag0.6Cu的焊点应力和蠕变最小,Sn3.8Ag0.7Cu焊点应力和蠕变次之,Sn3.0Ag0.5Cu焊点应力和蠕变最大,与实际的FCBGA器件试验结果一致. 基于蠕变应变疲劳寿命预测方程预测三种SnAgCu焊点的疲劳寿命,发现Sn3.9Ag0.6Cu焊点的疲劳寿命比Sn3.0Ag0.5Cu和Sn3.8Ag0.7Cu焊点的疲劳寿命高.     

电子封装功率模块PbSnAg焊层热循环可靠性

对电子封装IGBT功率模块进行热循环实验,考察了92．5Pb5Sn2.5Ag钎焊层的热循环失效和裂纹扩展,应用超声波显微镜对裂纹扩展过程进行了检测,得到了热循环失效的裂纹扩展数据。采用统一型粘塑性Anand方程描术字92．5Pb5Sn2.5Ag的力学本构,模拟了功率模块钎料焊层纹体在热循环条件下的应用应变。基于对△J积分的求解,描术字PbSnAg焊层热循环裂纹扩展速率。     

Ni对Sn96.5Ag3.5/Cu之间扩散行为的阻挡作用

研究了电镀Ｎｉ层和化学镀Ｎｉ－Ｐ合金层对Ｓｎ－Ａｇ／Ｃｕ焊点扩散行为的影响,电子探针分析表明,化学镀Ｎｉ－Ｐ合金层能很好地阻止Ｓｎ－Ａｇ／Ｃｕ焊点在焊接过程中的ＣｕＳｎ互扩散和相互反应;而电镀Ｎｉ层则不能阻止Ｓｎ－Ａｇ／Ｃｕ焊点过程中的Ｃｕ,Ｓｎ互搁工用和相互反应,界面反应产物以Ｃｕ６Ｓｎ５为主。应用化学镀Ｎｉ－Ｐ合金作为Ｓｎ－Ａｇ／Ｃｕ之间的扩散阻挡层可大大减少Ｓｎ／Ｃｕ金属间化合物的生成,有得     

Sn-3.5Ag-0.5Cu/Cu界面的显微结构

研究了热-剪切循环条件下Sn-3．5Ag-0．5Cu钎料／Cu界面的显微结构，分析了界面金属间化合物的生长行为，并与恒温时效后的Sn-3．5Ag-0．5Cu／Cu界面进行了对比。结果表明：恒温时效至100h，Sn-3．5Ag-0．5Cu／Cu界面上已形成Cu6Sn5和Cu3Sn两层金属间化合物；而热-剪切循环至720周Sn-3．5Ag-0．5Cu／Cu界面上只存在Cu6Sn5金属间化合物层，无Cu3Sn层生成，在界面近域的钎料内，颗粒状的Ag3Sn聚集长大成块状；在热-剪切循环和恒温时效过程中，界面金属间化合物的形态初始都为扇贝状，随着时效时间的延长逐渐趋于平缓，最终以层状形式生长。     

Growth Behavior of Intermetallic Compounds at SnAgCu/Ni and Cu Interfaces

The growth behavior of reaction-formed intermetallic compounds (IMCs) at Sn3.5Ag0.5Cu/Ni and Cu interfaces under thermal-shear cycling conditions was investigated. The results show that the morphology of (Cu _x Ni_1–x )₆Sn₅ and Cu₆Sn₅ IMCs formed both at Sn3.5Ag0.5Cu/Ni and Cu interfaces gradually changed from scallop-like to chunk-like, and different IMC thicknesses developed with increasing thermal-shear cycling time. Furthermore, Cu₆Sn₅ IMC growth rate at the Sn3.5Ag0.5Cu/Cu interface was higher than that of (Cu _x Ni_1–x )₆Sn₅ IMC under thermal-shear cycling. Compared to isothermal aging, thermal-shear cycling led to only one Cu₆Sn₅ layer at the interface between SnAgCu solder and Cu substrate after 720 cycles. Moreover, Ag₃Sn IMC was dispersed uniformly in the solder after reflow. The planar Ag₃Sn formed near the interface changed remarkably and merged together to large platelets with increasing cycles. The mechanism of formation of Cu₆Sn₅, (Cu _x Ni_1–x )₆Sn₅ and Ag₃Sn IMCs during thermal-shear cycling process was investigated.     

热循环对Sn58Bi(纳米Ti)/Cu焊点界面与性能影响

为了改善Sn-58Bi低温钎料的性能,通过在Sn-58Bi低温钎料中添加质量分数为0.1%的纳米Ti颗粒制备了Sn-58Bi-0.1Ti纳米增强复合钎料。在本文中,研究了纳米Ti颗粒的添加对-55～125 _^oC热循环过程中Sn-58Bi/Cu焊点的界面金属间化合物(IMC)生长行为的影响。研究结果表明：回流焊后,在Sn-58Bi/Cu焊点和Sn-58Bi-0.1Ti/Cu焊点的界面处都形成一层扇贝状的Cu₆Sn₅ IMC层。在热循环300次后,在Cu₆Sn₅/Cu界面处形成了一层Cu₃Sn IMC。Sn-58Bi/Cu焊点和Sn-58Bi-0.1Ti/Cu焊点的IMC层厚度均和热循环时间的平方根呈线性关系。但是,Sn-58Bi-0.1Ti/Cu焊点的IMC层厚度明显低于Sn-58B/Cu焊点,这表明纳米Ti颗粒的添加能有效抑制热循环过程中界面IMC的过度生长。另外计算了这两种焊点的IMC层扩散系数,结果发现Sn-58Bi-0.1Ti/Cu焊点的IMC层扩散系数(整体IMC、Cu₆Sn₅和Cu₃Sn IMC)明显比Sn-58Bi/Cu焊点小,这在一定程度上解释了Ti纳米颗粒对界面IMC层的抑制作用。     

片式电容Sn96.5/Ag3/Cu0.5焊点热疲劳性能比较

以0805封装片式电容器件焊点为研究对象,建立了多周期温度冲击下Sn96.5/Ag3/Cu0.5的焊点有限元分析模型,开展了多周期温度冲击条件下焊点剪切力测试工作,获得了Sn96.5/Ag3/Cu0.5和Sn63/Pb37两种焊点的周期-剪切力测试数据,并利用非线性最小二乘法得到了1 500个周期内的焊点热疲劳状态拟合曲线.结果表明,在规定试验条件下,在有限的1 500个周期内0805封装电容的Sn96.5/Ag3/Cu0.5焊点的热疲劳劣化速率略慢于Sn63/Pb37焊点.     

Sn-3.0Ag-0.5Cu-XCo钎焊接头金属间化合物层电迁移现象的研究

研究了以Co颗粒为增强相的Sn3.0Ag0.5Cu钎料合金接头的电迁移特性。结果表明,50℃、104A/cm2条件下直至16d,Sn3.0Ag0.5Cu-0.2Co钎料接头无明显电迁移现象产生。将温度提高至150℃后,接头正、负极处金属间化合物(IMC)层的厚度产生明显差异,即电子风力引发的‘极化效应’。Sn3.0Ag0.5Cu钎料接头在通电1d和3d后,正、负极处IMC层的结构发生了相反的变化。而Sn3.0Ag0.5Cu-0.05Co接头在通电3d后,负极处产生明显裂纹。此外,Co的引入有效地缓解了IMC层的生长趋势,提高了接头显微组织的稳定性。     

Investigation of small Sn–3.5Ag–0.5Cu additions on the microstructure and properties of Sn–8Zn–3Bi solder on Au/Ni/Cu pads

The formation of intermetallic compounds and the shear strength of Sn–Zn–Bi solder alloys with various (0, 1, 3, 5 and 7 wt%) weight percentages of Sn–Ag–Cu were investigated on Au/Ni metallized Cu pads depending on the number of reflow cycles. In Sn–Zn–Bi solder joints, scallop-shaped AuZn₃ intermetallic compound (IMC) particles were found at the interfaces and in the solder ball regions, fine Bi- and needle-shaped Zn-rich phase were observed in the Sn matrix. After Sn–Ag–Cu additions, an additional Ag–Zn intermetallic compound layer was adhered to the top surface of the AuZn₃ layer at the interface and fine spherical-shaped AgZn₃ intermetallic compound particles were detected in the solder ball regions together with Bi- and Zn-rich phase volumes. After the addition of Sn–Ag–Cu, the shear strength of Sn–Zn–Bi solder joints increased due to the formation of the fine AgZn₃ intermetallic compound particles. The shear strengths of Sn–Zn–Bi and Sn–Zn–Bi/7 wt% Sn–Ag–Cu solder joints after one reflow cycle were about 44.5 and 53.1 MPa, respectively and their shear strengths after eight reflow cycles were about 43.4 and 51.6 MPa, respectively.     

底充胶叠层PBGA无铅焊点随机振动应力应变分析

建立了底充胶叠层塑料球栅阵列(plastic ball grid array, PBGA)无铅焊点三维有限元分析模型,研究了PBGA结构方式、焊点材料、底充胶弹性模量和密度对叠层无铅焊点随机振动应力应变的影响. 结果表明,底充胶可有效降低焊点内的随机振动应力应变;在其它条件相同下,对于Sn95.5Ag3.8Cu0.7,Sn96.5Ag3Cu0.5,Sn-3.5Ag和Sn63Pb37这四种焊料,采用Sn-3.5Ag的底充胶叠层焊点内的随机振动最大应力应变最小,采用Sn96.5Ag3Cu0.5的焊点内的最大应力应变最大;随着底充胶弹性模量的增大,叠层无铅内的随机振动应力应变值相应减小;随着底充胶密度的增大,叠层无铅内的随机振动应力应变值相应增大.