电子封装跨尺度凸点结构Sn3.0Ag0.5Cu/Cu微互连焊点界面IMC生长与演化及力学行为的尺寸效应

针对目前无铅电子封装中主流应用的Sn3.0Ag0.5Cu钎料,研究了其直径为600～60μm的焊球在开孔型Cu基底(焊盘)上260℃恒温回流不同时间(10～300s)形成跨尺度凸点结构Sn3.0Ag0.5Cu/Cu微互连焊点时界面金属间化合物(IMC)的生长与演化行为,以及跨尺度微焊点的剪切性能与断裂行为。研究结果表明,焊球直径大于200μm时焊点界面IMC生长速率随其尺寸减小而增大,而焊球直径小于200μm时焊点界面IMC生长速率随焊球直径减小呈减小趋势。对微焊点界面显微组织演化的分析表明,界面IMC的粗化生长过程随回流时间延长依次经历了奥斯瓦尔德熟化生长及晶粒吸附与晶界迁移生长两个阶段,且其生长阶段的转变随焊点尺寸减小而更早发生。准静态剪切加载条件下的试验结果表明,微焊点强度随其尺寸减小而增加,而恒温回流时间增加时(10～300 s)同尺寸微焊点的剪切强度并未出现明显变化,但回流时间对大尺寸焊点剪切断裂位置有明显影响。     

电子封装跨尺度凸点结构Sn3.0Ag0.5Cu/Cu微互连焊点界面IMC生长与演化及力学行为的尺寸效应

针对目前无铅电子封装中主流应用的Sn3.0Ag0.5Cu钎料,研究了其直径为600～60μm的焊球在开孔型Cu基底(焊盘)上260℃恒温回流不同时间(10～300s)形成跨尺度凸点结构Sn3.0Ag0.5Cu/Cu微互连焊点时界面金属间化合物(IMC)的生长与演化行为,以及跨尺度微焊点的剪切性能与断裂行为。研究结果表明,焊球直径大于200μm时焊点界面IMC生长速率随其尺寸减小而增大,而焊球直径小于200μm时焊点界面IMC生长速率随焊球直径减小呈减小趋势。对微焊点界面显微组织演化的分析表明,界面IMC的粗化生长过程随回流时间延长依次经历了奥斯瓦尔德熟化生长及晶粒吸附与晶界迁移生长两个阶段,且其生长阶段的转变随焊点尺寸减小而更早发生。准静态剪切加载条件下的试验结果表明,微焊点强度随其尺寸减小而增加,而恒温回流时间增加时(10～300 s)同尺寸微焊点的剪切强度并未出现明显变化,但回流时间对大尺寸焊点剪切断裂位置有明显影响。     

微量钕对Sn-6.5Zn/铜焊点界面组织与性能的影响

采用SEM、EDS和拉伸-剪切试验等方法研究了微量稀土元素钕对Sn-6.5Zn-xNd(x=0,0.1,0.5)钎料/铜焊点界面组织,重点是界面金属间化合物(IMC)特征及结合性能的影响。结果表明:在Sn-6.5Zn合金中添加微量钕具有明显的变质作用,能够促进界面形成均匀细密的Cu5Zn8IMC层;钕添加量的增加对界面IMC尺寸与分布没有产生明显影响;钕添加量为0.1%(质量分数,下同)时能显著改善钎料/铜焊点结合性能,而当添加量为0.5%时,界面处稀土化合物的聚集会导致焊点结合性能下降。     

Sn-3.0Ag-0.5Cu/ENEPIG焊点界面反应及剪切性能的尺寸效应

将直径分别为200,300,400μm的Sn-3.0Ag-0.5Cu焊球在化学镍/钯/金(ENEPIG)焊盘上进行多次(1,3,5,7次)钎焊回流形成Sn-3.0 Ag-0.5 Cu/ENEPIG焊点,并对回流3次的焊点进行不同温度(75,100,125℃)的时效处理,研究了焊球尺寸对钎焊回流及时效处理后焊点界面组织及剪切强度的影响.结果表明:钎焊回流和时效处理后,焊点界面金属间化合物层的厚度及焊点的剪切强度均随焊球直径的增大而降低,二者表现出明显的尺寸效应;在焊球尺寸相同的条件下,回流次数的增加和时效温度的升高均会导致界面金属间化合物层厚度的增加,以及焊点剪切强度的降低.     

Cu5Zn8和Sn/Ag3Sn/Ag扩散阻挡层在Sn/Cu钎焊互连界面反应中的作用

电子器件的微型化对钎焊界面的可靠性提出更高的要求,深入研究钎焊界面金属间化合物(Intermetallic compound,IMC)的形貌演变和生长机制具有重要意义.金属Cu具有优良的导电导热性能,在微电子封装行业中广泛应用为基体材料.在钎焊回流过程中,Cu基体与Sn钎料发生界面反应生成IMC,由于IMC具有较高脆性...     

添加微量Zn对Sn-58Bi/Cu焊点老化过程中界面演变以及力学性能的影响

通过向Sn-58Bi焊料中加入微量Zn元素,研究了Sn-58Bi-xZn(x=0,0.2,0.5,1.0)焊点在老化过程中界面金属间化合物(Intermetallic compounds,IMCs)的生长行为以及对力学性能的影响.研究发现,加入微量Zn后,界面IMCs由Cu6Sn5转变为Cu6(Sn,Zn)5.当Zn的...     

微量铬添加与快速凝固对Sn-9Zn合金钎料及钎料/铜焊点界面特性的影响

通过真空熔炼制备Sn-9Zn和Sn-9Zn-0.1Cr(质量分数/%)合金钎料,并利用单辊法得到快速凝固态Sn-9Zn-0.1Cr合金钎料,研究了微量铬添加和快速凝固对钎料显微组织、润湿性能、耐腐蚀性能,以及钎料/铜焊点界面金属间化合物(IMC)层在85℃时效过程中生长动力学的影响。结果表明：添加质量分数0.1%铬能够抑制Sn-9Zn合金钎料中富锌相的聚集并细化共晶组织,提高合金钎料的最大润湿力并缩短润湿时间,抑制钎料/铜焊点界面IMC层的生成以及在时效过程中的过度生长;快速凝固态Sn-9Zn-0.1Cr合金钎料中富锌相呈颗粒状弥散分布于β-Sn枝晶中,组织更加细小均匀,耐腐蚀性能显著改善,但界面IMC层在85℃时效过程中的生长速率相比于熔炼态合金钎料略有增大。     

低稳恒磁场对锡锌基合金液与铜片界面反应的影响

利用SEM、XRD等方法研究了0.1 T低稳恒磁场对锡锌合金液/铜片和锡锌铜舍金液/铜片的界面反应过程中金属间化合物(IMC)层的生长、晶体取向以及形貌的影响.结果表明:界面IMC层的厚度随反应时间的延长而增加;在0.1 T磁场下,锡锌合金液/铜片和锡锌铜合金液/铜片的界面IMC层的生长均受到抑制;同时磁场抑制了IMC晶粒的粗化,使IMC颗粒更加细小致密;0.1 T磁场抑制了锡锌合金液/铜片界面处Cu5Zn8(330)的取向度,但对锡锌铜合金液/铜片的界面晶粒取向度影响并不很明显.     

Bi和Ni元素对Cu/SAC/Cu微焊点体钎料蠕变性能的影响

借助纳米压痕试验方法,对Cu/SAC305/Cu,Cu/SAC0705/Cu和Cu/SAC0705BiNi/Cu微焊点体钎料在不同最大载荷下的压入蠕变性能进行比较,并分析和讨论Bi、Ni元素的添加对低银Cu/SAC0705/Cu微焊点体钎料蠕变性能的影响。试验采用一次加载-卸载方式,加载时最大载荷分别为20mN、30mN、40mN和50mN,保载时间均为180s。采用FEISIRION扫描电子显微镜对微焊点体钎料在不同最大载荷下的压痕形貌进行观察。结果表明:在相同最大载荷和保载时间条件下,3种微焊点中Cu/SAC0705BiNi/Cu的蠕变深度和压痕尺寸均小于Cu/SAC305/Cu和Cu/SAC0705/Cu。在4种不同最大载荷下,与Cu/SAC0705/Cu微焊点体钎料相比,Cu/SAC0705BiNi/Cu微焊点体钎料的压入蠕变率分别降低了11.883%、16.059%、8.8157%和12.891%。Bi、Ni元素的添加,使Cu/SAC0705/Cu微焊点体钎料的蠕变应力指数提高了32.175%,有效提高了低银Cu/SAC0705/Cu微焊点体钎料的抗蠕变性能。     

钎焊工艺对Au-Sn/Ni焊点组织及力学性能的影响*

通过回流焊技术制备Au-Sn/Ni焊点,通过扫描电子显微镜和能谱检测分析钎焊接头的微观组织及其相组成,利用疲劳试验机对焊点的剪切强度进行检测,研究不同钎焊工艺对Au-Sn/Ni焊点组织和力学性能的影响。结果表明,在310 ℃钎焊1 min的Au-Sn/Ni焊点经过水冷或空冷后,焊料内部均形成镶嵌有离散分布的(Ni,Au)₃Sn₂相的(Au₅Sn+AuSn)共晶组织,焊料/Ni界面处形成(Ni,Au)₃Sn₂金属间化合物(intermetallic compound,IMC)层;钎焊后炉冷的焊点,由于冷却速度过慢,导致焊料中Ni质量分数增大,(Ni,Au)₃Sn₂相异常长大消耗共晶组织中的(Au,Ni)Sn相,焊料共晶组织消失。随着钎焊时间的延长,基板中的Ni原子不断往焊料扩散,界面处的IMC层厚度均有不同程度的增加。随钎焊时间延长焊点的剪切强度逐渐下降,而剪切断裂模式为脆性断裂,发生在焊料与金属间化合物层的界面处。Au-Sn/Ni焊点在310 ℃下钎焊1 min,并采用水冷方式时得到的力学性能最佳。     

时效对Sn-3.8Ag-0.7Cu/Cu焊料接头的组织和拉伸性能的影响

研究Sn-3.8Ag-0.7Cu/Cu焊料接头界面的微观组织在150℃时效不同时间后的演变过程,对时效不同时间的试样进行抗拉强度测定,并在扫描电镜下进行动态拉伸原位观察和拉伸断口的形貌观察.结果表明,Sn-3.8Ag-0.7Cu/Cu焊料接头试样在焊后的界面上形成扇贝状的Cu6Sn5金属间化合物(intermetallic compound,IMC)层,随着时效时间的增加,界面IMC的厚度增加,Cu6Sn5扇柱变长变粗,最后离开界面层进入焊料, 时效480 h后在焊料和Cu6Sn5界面析出Ag3Sn相.拉伸实验结果表明,焊料接头的强度在时效初期略有增加,时效48 h后强度逐渐下降;动态拉伸结果表明,时效初期断裂发生在焊料基体内部,随着时效时间的增加,断裂发生的位置逐渐向界面转移,在时效480 h后断裂完全发生在界面化合物层.     

等温时效对Sn3.0Ag2.8Cu/Cu焊点界面层组织的影响

对Sn3．0Ag2．8Cu／Cu焊点等温时效后其界面组织的变化进行了SEM、OM以及EDX分析研究，并与Sn37Pb／Cu焊点进行了比较。结果表明：在焊料与铜基板界面上存在Cu6Sn5和Cu3Sn两种金属间化合物，时效过程中Sn3．0Ag2．8Cu焊料与铜的生长速度较慢，金属间化合物的生长属于扩散控制。     

电-热-力耦合载荷下非均匀组织Cu/Sn-58Bi/Cu微焊点拉伸力学性能研究

电子封装微焊点往往在电、热、力等多种载荷共同作用下服役,且具有鲜明的组织不均匀特征.研究电-热-力耦合载荷下电流密度和温度对电子封装组织不均匀线型Cu/Sn-58Bi/Cu微焊点拉伸力学性能及其尺寸效应的影响.结果 表明,较低温度和较低电流密度情况下,随焊点高度降低,Cu基底对钎料的力学约束增强,焊点拉伸强度提高,断裂...     

金属间化合物对SnAgCu/Cu界面破坏行为的影响

无铅焊接与封装是对新一代电子产品的基本要求,SnAgCu系合金是最有可能替代SnPb焊料的无铅焊料。SnAgCu—Cu界面金属间化合物（intermetallic components,IMC）的形成与生长对电了产品的性能和可靠性有重要影响。文中讨论SnAgCu—Cu界面IMC的形貌及绀织演变,介绍SnAgCu—Cu界面IMC的形成、生长机理和表征办法,分析IMC对SnAgCu—Cu界面破坏行为的影响。     

Cu/SAC305/Cu微焊点的剪切蠕变试验及数值模拟

采用基于动态力学分析仪(DMA Q800,TA-Instruments)的精密蠕变试验,针对直径400 μm、高250 μm的Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu无铅微尺度焊点,研究了其在10MPa恒定应力和不同温度(100℃、110℃、120℃)以及100℃恒定温度和不同应力(8 MPa、10MPa、l2 MPa...     

无铅微焊点界面断裂行为的尺寸效应

采用有限元模拟和试验方法研究不同尺寸的"铜引线/钎料/铜引线"对接结构微焊点在准静态微拉伸载荷下的断裂行为,以及电迁移与热时效作用对其断裂性能的影响.结果表明,随着微焊点高度的减小,焊点中界面裂纹扩展驱动力逐渐减小,抗断裂性能有所提高;界面裂纹尖端剪切型裂纹扩展驱动力KⅡ值明显高于张开型裂纹扩展驱动力KⅠ值;Sn-Ag-Cu无铅钎料微焊点中界面裂纹的应力强度因子KⅡ和KⅠ远低于Sn-Pb钎料微焊点,其抗断裂能力要明显优于后者.模拟结果还表明,电迁移极性效应导致的金属间化合物增厚对微焊点断裂性能影响不大,而焊点边缘微空洞的横向薄饼状扩展导致界面应力集中系数显著上升,最大Von Mises等效应力点位于金属间化合物/铜界面处;微焊点在热时效过程中两侧界面金属间化合物层厚度的增加使界面裂纹尖端的应力水平近似呈指数函数衰减.     

无铅微互连焊点力学行为尺寸效应的试验及数值模拟

采用高精度微拉伸试验和有限元数值模拟方法研究不同微尺度的Sn-Ag-Cu无铅钎料模拟互连焊点力学行为和性能演变的尺寸效应。结果表明,当焊点高度恒定(225μm)而焊点直径逐渐减小(475～200μm)时,拉伸断裂强度显著提高且远高于体钎料的抗拉强度,断裂应变也逐渐增加;焊点的断裂位置及模式由较大直径时的界面低延性断裂转变为小直径时焊点中间部位的大变形颈缩断裂。模拟结果表明,由于焊点内力学拘束水平的不同,小直径焊点的界面应力较低且最大应力分布在焊点中间部分,易导致断裂发生在焊点中部,接头强度应较高;而大直径焊点中最大应力处于焊点界面,易导致界面金属间化合物层在较低外加应力下起裂,焊点断裂强度应较低。     

极端热冲击和电流密度耦合Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点组织演变

深空探测环境中电子设备焊点面临极端温度和电场耦合的严峻考验.在-196～150℃极端温度热冲击和1.5×104A/cm2电流密度的耦合载荷下,对Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点的微观组织演变规律和电流拥挤效应进行分析,描述焊点微观组织演变及电阻变化之间的联系.试验结果表明,热冲击前期,阳极处IMC厚度呈抛物线规律增加,...     

电子封装中Au80Sn20焊料与镀层之间的相互作用及组织演变

电子元器件常通过镀层提高可焊性,主要包括Au、Ni、Cu、Au/Ni(Ti)、Au/Pt/Ti、Au/TiW等。Au80Sn20焊料是电子封装中的常用材料,文中总结了AuSn焊料与镀层之间的相互作用及组织演变。润湿性主要取决于AuSn焊料表面的氧化以及镀层在AuSn焊料中的溶解速度,Cu、Pt的原子结构与Au相似,以置换原子的形式溶解在AuSn焊料中,Ti与AuSn焊料之间的润湿性较差。AuSn焊料与镀层发生界面反应生成(Ni,Au)₃Sn₂、ζ-(Au,Cu)₅Sn、Au₅Sn、Ni₃Sn₄等金属间化合物（IMC）,IMC的形成和组织演变与焊点结构、工艺参数、服役条件等因素有关。     

电-力耦合作用下Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu微焊点的拉伸力学性能和断裂行为

对比研究三明治结构线形Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu微焊点在拉伸、电-拉伸和电迁移后电-拉伸三种加载模式下的力学行为和断裂特性,并基于电流引发的焦耳热效应和电迁移效应,从电流对原子和空位扩散、空位浓度及位错滑移与攀移的影响等方面,探讨电-力耦合载荷对焊点拉伸断裂行为的影响。结果表明,焊点在电-拉伸时应力-应变曲线呈现快速变形、线性变形和加速断裂三阶段,其中快速变形阶段是以焦耳热引起的热弹性变形为主,而拉伸和电迁移后电-拉伸时应力-应变曲线只存在线性变形和加速断裂阶段;电迁移后电-拉伸时焊点断裂强度和断裂应变最小而等效模量最大,拉伸加载时焊点断裂强度和断裂应变最大而等效模量最小;电-拉伸时β-Sn相趋于沿电、力加载方向排列;三种加载模式下焊点断裂均发生在钎料体内,呈韧性断裂。