基于纳米压痕法分析无铅焊点内Cu6Sn5金属化合物的力学性能

采用纳米压痕技术对微电子封装中无铅焊点内界面化合物（IMC）Cu₆Sn₅的弹性模量和硬度进行了测试。根据实际工业工艺流程和服役工况,制备接近真实服役状态下的微电子封装中无铅焊点界面化合物试样;采用扫描电镜（SEM）和能量色散X射线荧光光谱仪（EDX）确定IMC的形貌和化学成分;利用连续刚度测量（CSM）技术,采用不同的加载速率对无铅焊点（Sn3.0Ag0.5Cu、Sn0.7Cu和Sn3.5Ag）内的界面化合物Cu₆Sn₅进行测量,得到载荷、硬度和弹性模量-位移曲线。根据纳米压痕结果确定Cu₆Sn₅的蠕变应力指数。     

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.     

无铅焊点及其内部金属间化合物的力学性能研究

采用纳米压痕技术对无铅焊点(Sn3.0Ag0.5Cu、Sn0.7Cu和Sn3.5Ag)及其内部界面金属间化合物(intermetallic compound,IMC)的力学性能进行测试。根据实际工业工艺流程制备无铅焊点试样;利用接触刚度连续测量(CSM)技术对焊点及内部IMC层进行测试,得到IMC层及无铅焊点的弹性模量、硬度等力学性能参数,并根据载荷-位移曲线的保载阶段确定蠕变应力指数。结果表明,Sn0.7Cu的IMC层的弹性模量和蠕变应力指数为无铅焊点的2.03和6.73倍;对无铅焊点的可靠性评估中,将IMC层的影响考虑进去使得结果更为合理。     

基于纳米压痕法Sn3.0Ag0.5Cu焊点金属间化合物力学性能及其应变率效应的研究

采用纳米压入测试系统对无铅焊点Sn3.0Ag0.5Cu内金属间化合物(IMCs)Cu3Sn、Cu6Sn5的力学性能进行测试,应变率分别为0.01 s-1,0.05s-1,0.25s-1,0.5s-1,分析IMCs力学性能的应变率效应。研究发现金属间化合物具有应变率强化效应;Cu3Sn和Cu6Sn5的变形机制不同,前者加载曲线呈现锯齿流变,后者曲线光滑;Cu3Sn和Cu6Sn5的接触刚度在不同应变率时均与压痕深度成线性正比例关系;Cu3Sn的弹性模量和硬度明显高于Cu6Sn5;Cu3Sn和Cu6Sn5的硬度值均随着应变率的增大而增大,而对弹性模量没有明显影响。保载阶段,蠕变位移具有应变率强化效应,加载应变率为0.05s-1时做对比实验,Cu焊盘、Cu3Sn、Cu6Sn5和焊点的蠕变应变率敏感指数m分别为0.01627、0.0117、0.0184和0.0661。     

纳米压痕法研究80Au/20Sn焊料蠕变应力指数

室温下通过恒加载速率/载荷纳米压痕法对铸态80Au/20Sn焊料进行了测试,得到了压痕试样的载荷—位移曲线.试验表明,加载速率对载荷一位移曲线影响显著,较低的加载速率产生了较大的位移变化;加载阶段,较低的加载速率导致了较大的压痕深度;载荷保持阶段,压痕深度的变化表明在该阶段发生了蠕变,较高的加载速率导致了较大的蠕变应变率.结果表明,基于压痕做功概念得到的蠕变应力指数与传统单轴拉伸或压缩蠕变测试得到的数值具有较好的一致性,该测试和分析方法可行.     

BGA焊点界面化合物纳米压痕力学行为

利用纳米压痕法对BGA焊点(Cu,Ni)₆Sn₅,Cu₆Sn₅,Cu₃Sn界面化合物(IMC)进行了压痕试验.基于Oliver-Pharr法确定了(Cu,Ni)₆Sn₅,Cu₆Sn₅,Cu₃Sn的弹性模量和压痕硬度,研究了加载速率对IMC纳米压痕力学行为的影响及其变化规律.结果表明,锯齿流变效应与加载速率的大小是相关的.在加载速率较小的情况下(Cu,Ni)₆Sn₅,Cu₆Sn₅,Cu₃Sn都具有锯齿流变效应,但程度不同;在加载速率较大的情况下(Cu,Ni)₆Sn₅,Cu₃Sn锯齿流变效应不明显,而Cu₆Sn₅的锯齿流变效应相对明显.(Cu,Ni)₆Sn₅,Cu₆Sn₅,Cu₃Sn界面IMC的弹性模量分别为126,118,135 GPa;压痕硬度分别为6.5,6.3,5.8 GPa;含镍的(Cu,Ni)₆Sn₅化合物弹性模量和压痕硬度均比Cu₆Sn₅的值要高.     

纳米压痕法分析ECAP变形工业纯钛的力学性能

采用等径弯曲通道变形(Equal Channel Angular Pressing,ECAP)技术制备了不同晶粒尺寸的超细晶工业纯钛,通过纳米压痕测试技术对ECAP变形工业纯钛的力学性能进行研究,讨论了加载应变速率和晶粒尺寸对工业纯钛硬度测试结果的影响,进一步分析了ECAP变形工业纯钛的应变硬化能力和残余应力。结果表明:随着加载应变速率的增大和晶粒尺寸的减小,工业纯钛的硬度值增加。硬度-位移曲线表现出具有硬化效应的压痕尺寸效应(Indentation Size Effect,ISE)。纳米压痕形貌表明:ECAP变形工业纯钛的应变硬化能力降低,存在残余压应力。     

La对Sn-0.3Ag-0.7Cu回流焊点纳米力学性能影响

随着电子产业的不断发展,对微连接焊点可靠性的要求越来越高. 文中在Sn-0.3Ag-0.7Cu的基础上添加第四种微量元素La,并制备出多种不同铼含量的焊球,通过回流焊得到Sn-0.3Ag-0.7Cu-xLa焊点. 采用纳米压痕仪对焊点进行一次加载—卸载试验,对试验所得到的载荷—位移数据通过采用Ma物理反解析法可得出焊点的纳米压痕硬度H、弹性模量E及蠕变速率敏感指数m等焊点的性能参数.研究稀土元素La对焊点纳米力学性能的影响. 结果表明,随着微量稀土元素La含量的增加,焊点的硬度、弹性模量表现出明显的增长趋势,而且抗蠕变性能随着铼含量的上升呈线性上升趋势.     

纳米压痕法测量Sn-Ag-Cu无铅钎料BGA焊点的力学性能参数

对Sn-3．0Ag-0．5Cu无铅体钎料和Sn-4．0Ag-0．5Cu无铅钎料BGA(ball grid array)焊点进行了Berkovich纳米压痕法实验,通过改变不同的加载速率研究了钎料的蠕变特征．钎料压痕载荷位移曲线蠕变部分表现出了明显的加载速率相关性．基于Oliver-Pharrr法确定的体钎料和BGA焊点的Young’S模量分别为9．3和20GPa．基于压痕做功概念确定的体钎料和BGA焊点的应变速率敏感指数分别为0．1111和0．0574．钎料的力学性能有着明显的尺寸效应。     

基于纳米压痕技术研究2024-T4铝合金力学性能

采用纳米压痕连续刚度技术(CSM)对铝合金在不同压痕深度以及不同压头半径下的力学响应进行分析。通过不同分析方法将载荷-压痕深度关系转换为压痕应力-应变(σ-ε)关系,并与宏观性能对比得到最优方法。结果表明,半径为250μm的压头在最大压痕深度为550 nm时测得的平均弹性模量为66.4 GPa,其值与宏观拉伸弹性模量相差2.3%;采用限制因子1.6作为应力转换系数,通过几何接触半径与Tabor方法相结合可得到准确的塑形性能,名义屈服应力为290 MPa,与宏观拉伸屈服应力误差约为1.4%。     

晶粒尺寸与保载载荷对Cu膜纳米压入蠕变性能的影响

利用纳米压入仪对Si片上的多晶Cu膜进行压入蠕变研究．实验结果显示晶粒尺寸大于200nm时,应力指数对晶粒尺寸不敏感．当晶粒尺寸小于200nm时,因压头底部更多的晶粒参与变形,应力指数随晶粒尺寸的降低而增大．认为薄膜材料存在一个对应力指数不敏感的最小If缶界晶粒尺寸ιc,Cu膜的应力指数随保载载荷增大而增大,其主要原因在于高载荷下位错强化机制使蠕变率降低。     

热-剪切循环条件下Sn-3．5Ag-0．5Cu／Cu（Ni）界面化合物生长行为研究

对热-剪切循环条件下Sn-3．5Ag-0．5Cu钎料在Cu和Ni界面上原子扩散和化合物的生长行为进行了研究。结果表明：再流焊后，在Sn-3．5Ag-0．5Cu／Ni界面上形成（CuxNi1-x）6Sn5化合物；热-剪切循环200周次后，（NixCu1-x）Sn3化合物在（CuxNi1-x）6Sn5化合物周围以片状快速长大；而Sn-3．5Ag-0．5Cu／Cu界面从钎焊到热-剪切循环720周次始终只存在Cu6Sn5金属化合物层。随着热-剪切循环周数的增加，（CuxNi1-x）6Sn5和Cu6Sn5化合物形态均从笋状向平面状生长。界面金属间化合物的厚度随循环周数的增加而增加，且生长基本遵循抛物线规律，说明Cu原子的扩散控制了（CuxNi1-x）6Sns和Cu6Sn5化合物的生长。     

等温时效中稀土Er对Sn-3.8Ag-0.7Cu无铅钎料显微组织演化的影响

系统研究了等温时效中添加微量稀土Er对Sn-3.8Ag-0.7Cu钎料合金显微组织演化规律的影响.结果表明,Er对Sn-3.8Ag-0.7Cu钎料显微组织及等温时效过程中显微组织的演化产生了重要影响.在钎焊过程中,Er有效地细化了钎料组织,改变了钎料内部Cu-Sn金属间化合物的形态、尺寸及分布情况.在等温时效过程中,钎料内部生成的ErSn3金属间化合物为组织的再结晶过程提供了大量的形核质点,有效避免了再结晶组织的粗化及裂纹的产生和扩展.     

Sn-Ag3.0-Cu0.5/Cu金属间化合物生长行为及其对PBGA焊点热疲劳可靠性的影响

利用SMT全自动回流焊机和高温恒温试验箱,制备出经2次回流焊且不同时效处理时间的Sn-Ag3.0-Cu0.5/Cu焊点试件,对其金属间化合物（IMC）的厚度进行测量,发现其厚度的增长与时效时间的平方根近似成线性关系。采用统一粘塑性Anand本构模型来描述焊点的力学性能,运用有限元计算软件ANSYS对PBGA构件进行热循环模拟,对其在不同IMC厚度下的应力和应变响应进行分析。结果表明,芯片右下方焊点右上角热循环结束后累积的等效塑性应变最大,是整个PBGA构件的关键焊点;随着IMC厚度的增加,关键焊点热循环过程中的等效应力水平不断降低,相应剪切塑性应变范围Δγ不断增大,热疲劳寿命Nf则不断降低;升温和高温保温过程中剪切塑性应变的增加量构成了剪切塑性应变范围Δγ,且不同IMC厚度下升温段剪切塑性应变增加量占Δγ的比例基本维持在95%左右     

锡在Cu6Sn5金属间化合物表面的润湿行为

利用改良座滴法研究了高真空条件下熔融纯Sn在350 ~ 450 ℃下分别与Cu₆Sn₅和T2纯铜的润湿行为. 结果表明,表面镀金的金属间化合物基板在各试验温度下的润湿性均优于纯铜基板;金属基板表面氧化膜对润湿性的影响不容忽视;离子溅射后表面形成的金膜可以作为一种改善润湿性及控制界面IMC厚度的有效方法;润湿性改善的机制为Sn与氧化膜的化学反应,界面析出IMC或者IMC的溶解过程并非限制铺展的主要因素;铺展过程表现出线性铺展规律,可用反应产物控制模型对其进行描述,计算得到Sn/Cu₆Sn₅和Sn/Cu两体系的铺展激活能分别为20.469 kJ/mol和22.270 kJ/mol.     

热冲击下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu钎焊接头组织与性能

借助于SEM、EDS、XRD等检测手段对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu钎焊接头进行观察分析,研究了钎焊工艺参数及热冲击条件对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu钎焊接头界面金属间化合物和力学性能的影响。结果表明:添加0.05%(质量分数)Ni能细化Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎料合金的初生β-Sn相和共晶组织;钎焊温度270℃和钎焊时间240 s时,钎焊接头抗剪切强度最大达26.9 MPa,较未添加Ni的钎焊接头提高8.9%;随着热冲击周期的增加,钎焊接头界面金属间化合物层平均厚度增加,界面粗糙度先增大后减小,钎焊接头强度降低;添加0.05%Ni能够抑制接头界面金属间化合物的成长、钎焊接头强度的降低,有利于改善接头可靠性。