倒装焊Sn—Pb焊点的热疲劳失效

对倒装焊Sn-Pb焊点进行了热循环实验,结合三维全局有限元模拟的结果,研究了Sn-Pb焊点热疲劳失效,结果表明,充胶后焊点内塑性应变范围减小近一个数量级,从而显著降低焊点的疲劳损伤后,由于底充胶改变了Sn-Pb焊点应力、应变分布,使得充胶前后焊点裂纹位置发生改变,Sn-Pb焊点热疲劳裂纹萌生于粗化的富Sn相,并穿过富Pb相沿Sn相生长,Sn和Pb晶粒的非均匀粗化趋势与模拟给出的剪切应变轴向分布一致。     

Sn3.0Ag0.5Cu/Cu无铅焊点剪切断裂行为的体积效应

采用直径范围为200—600μm的Sn3.0Ag0.5Cu无铅钎料球在Cu焊盘上制作热风重熔焊点,将重熔焊点在150℃下进行老化,并对重熔和老化焊点进行剪切测试.结果表明:重熔和老化后焊点的剪切强度都随体积的增大而减小,表现出显著的体积效应.SEM断面观察显示:较小体积焊点剪切断裂发生在钎料块体内部,表现出较好韧性;较大体积焊点则发生在近焊盘的界面处,呈现脆性断裂特征.焊盘界面处和钎料内部微观组织SEM观察表明:小体积焊点内部Ag_3Sn化合物以小颗粒状弥散分布,起到强化作用;而大体积焊点内部Ag_3Sn化合物为树枝网状分布,表现出硬脆性.金属间化合物(如Ag_3Sn和Cu_6Sn_5)的形貌和分布对焊点的断裂行为有显著的影响,是焊点剪切断裂行为体积效应的内在原因.     

RE对Sn2.5Ag0.7Cu/Cu焊点性能的影响

利用X射线衍射分析仪(XRD)和JSM-5610LV扫描电镜(SEM)研究RE含量对Sn2.5Ag0.7Cu/Cu焊点界面区显微组织、剪切强度和蠕变断裂寿命的影响。结果表明:Sn2.5Ag0.7CuxRE焊点界面区金属间化合物由靠近钎料侧Cu6Sn5和靠近Cu基板侧Cu3Sn构成;添加微量RE可细化Sn2.5Ag0.7Cu焊点内钎料合金的显微组织和改善钎焊接头界面区金属间化合物的几何尺寸及形态;当RE添加量为0.1%时,焊点的剪切强度最高,蠕变断裂寿命最长。     

板级焊点结构的热疲劳及机械疲劳性能分析

采用实验测试与数值模拟相结合的方法对锡铅钎料和无铅钎料SAC305板级焊点分别在热疲劳和机械疲劳载荷作用下的破坏规律进行比较研究.结果表明:相对于传统锡铅钎料而言,常用无铅钎料(SAC305)焊点结构具有较为优异的抗热疲劳性能,然而其抗机械疲劳性能相对较差.由此,采用有限元方法分析了两种钎料焊点结构在热疲劳和机械疲劳过程中的塑性应变和蠕变应变演变过程,以探讨表面贴装板级焊点结构热疲劳和机械疲劳破坏过程的本质区别.     

Sn3.0Ag0.5Cu/Cu回流焊点界面化合物尺寸分布特征及生长机制

在电子封装过程中,钎料与基体之间形成金属间化合物层,其主要成分为Cu₆Sn₅,Cu₆Sn₅晶粒的尺寸和形貌特征能够显著影响焊点的服役性能. 采用回流焊的方法制备了一系列Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点,使用Image-Pro Plus软件对焊接界面化合物Cu₆Sn₅晶粒的尺寸分布和化合物层的厚度进行了统计分析. 结果表明,Cu₆Sn₅的平均粒径正比于t0.38(t为回流时间), 界面化合物层的平均厚度正比于t0.32. 随着回流时间的增加,界面化合物生长速度变慢,Cu₆Sn₅晶粒的尺寸分布更加均匀. 回流时间较长的样品中Cu₆Sn₅的粒径尺寸分布与FRD模型的理论曲线基本相符,而对于回流时间短的样品,晶粒尺寸分布与FRD理论偏离较大. 统计结果显示,出现频次最高的晶粒尺寸小于平均值. 最后讨论了界面Cu₆Sn₅晶粒的生长机制,分析了回流时间对界面Cu₆Sn₅晶粒生长方式的影响.     

WLCSP器件Sn3.9Ag0.6Cu焊点疲劳寿命预测

基于蠕变模型采用有限元法对WLCSP30器件Sn3.9Ag0.6Cu焊点可靠性及疲劳寿命进行预测.研究发现WLCSP器件整体的最大应力集中在阵列最拐角焊点的上表面处,该部位可能成为焊点裂纹的发源地,试验结果也验证了模拟结果的正确性.对焊点应力—应变分析,发现焊点部位出现明显的蠕变应变和蠕变应变能累积现象,结合焊点疲劳寿命方程,预测焊点疲劳寿命,发现基于蠕变应变能密度的计算结果和试验结果较吻合,但是基于蠕变应变的预测结果和试验结果相差较大,因此基于蠕变应变的疲劳寿命预测方程需要进一步的研究.     

Sn3.0Ag0.5Cu0.05Cr/Cu焊点界面IMC层热时效形貌及生长行为研究

研究了Sn3.0Ag0.5Cu0.05Cr焊料(SACCr)制成的Cu/Solder/Cu焊点在150℃时效0、168、500及1000 h下界面金属间化合物(IMC)层的形貌及生长行为,并与Sn3.0Ag0.5Cu(SAC)焊料的焊点进行了比较。结果表明,相对于SAC的焊点,SACCr中弥散或固溶分布的微量Cr延缓了焊点界面IMC层的生长。时效时间越长,Cr的阻抑效果越明显。150℃时效1000 h的Cu/SACCr/Cu焊点界面IMC层的平均厚度是Cu/SAC/Cu的45%,仅为5.13μm。     

塑封球栅阵列焊点热疲劳寿命预测有限元方法

选取典型的塑封球栅阵列封装器件,将其建模为由封装外壳、硅芯片和基板组成的三层结构,采用粘塑性材料模式描述锡铅钎料的力学本构关系,建立器件的三维有限元模型,通过有限元仿真得到焊点的应力应变分布云图、应力应变回线及关键焊点的应变范围,最后根据基于应变的Engelmaier疲劳模型预测塑封球栅阵列焊点的寿命.结果表明,在热循环条件下,塑封球栅阵列封装器件的关键焊点的位置位于器件芯片边缘的正下方,并不位于最边缘的焊点处,为改进塑封球栅阵列焊点的热疲劳可靠性提供了依据.     

温度梯度作用下的Ni/Sn/Cu焊点界面反应分析

采用Ni/Sn/Cu互连焊点作为研究对象,在不涉及电迁移效应条件下,设置温度梯度为TG=1 046℃/cm,研究在热迁移作用下镍为热端、铜为冷端时界面金属间化合物(intermetallic compound,简称IMC)的显微组织变化. 结果表明,随着热迁移加载时间的增加,冷、热两端界面IMC的厚度都增加,但冷端界面IMC的生长速率大于热端.EDS分析表明,界面IMC是(Cu,Ni)6Sn5相,并且热端IMC中的Ni元素含量高于冷端. 另外,在冷端的界面(Cu,Ni)6Sn5相中观察到大量的空洞,且在(Cu,Ni)6Sn5/Cu界面之间没有观察到Cu3Sn.     

倒装焊底充胶分层与SnPb焊点热疲劳的可靠性

采用实验和有限元模拟,研究了底充胶分层和ＳｎＰｂ焊点的可靠性。结果表明,底充胶分层易发生在芯片／底充胶界面边缘处;当底充胶与芯片粘合强度较弱时,底充胶的早期分层是焊点中裂纹萌生扩展从而导致失效的直接原因;当底充胶与芯片粘合强度较强时,分层可以削弱底充胶对焊点的机械耦合作用,从而影响焊点的热循环寿命,此时,焊点热疲劳裂纹是焊点失效的直接原因。     

外能辅助下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu钎焊接头组织与性能

采用SEM、EDS、XRD等方法研究了超声、电场外能辅助下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu钎焊接头的组织与性能。结果表明,借助于超声、超声-电场外能辅助能细化Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu钎焊接头钎缝组织并使共晶组织比例增加,界面区金属间化合物(IMC)平均厚度、粗糙度和界面IMC颗粒尺寸减小。超声和电场外能辅助下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu钎焊接头强度与其界面IMC层粗糙度密切相关,超声的作用更为显著,在超声-电场外能辅助钎焊接头界面IMC层粗糙度降低中占主导作用,施加超声-电场外能辅助下钎焊接头剪切强度与传统钎焊相比提高24.1%;施加超声、超声-电场外能辅助使Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu钎焊接头断裂途径由钎缝和界面IMC层组成的界面过渡区向钎缝侧迁移,呈界面(Cu,Ni)_6Sn_5 IMC解理和钎缝解理+韧窝的脆-韧混合型断裂机制,使接头剪切断口塑性区比例增加,从而提高接头剪切强度。     

回流焊冷却过程中PBGA焊点力学行为分析

以热弹塑性理论为基础,建立球栅阵列PBGA焊点在回流焊工艺中焊接应力的有限元模型,利用ANSYS的热结构耦合功能,采用生死单元法对Sn-Ag-Cu焊点回流焊的冷却过程进行数值模拟分析.焊点冷却结晶后的初始阶段,等效应力随温度的降低快速增加,当焊点的温度逐渐降低至室温时,等效应力为最大.结果表明,在回流焊接工艺中,PBGA焊点的裂纹极可能发生在焊料冷却结晶后的初始阶段,在焊点高应力集中区首先开裂,并在应力的作用下沿界面逐渐扩展.对焊料凝固初期冷却速率的控制是减少焊接裂纹产生的有效方法.     

矩形片式电阻半导体激光钎焊无铅焊点的热循环试验

选用Sn-Ag-Cu无铅钎料,采用半导体激光软钎焊和红外再流焊两种方法对0805型矩形片式电阻元件进行钎焊,并对采用不同方法得到的钎焊焊点进行热循环试验.结果表明,激光软钎焊矩形片式电阻焊点的力学性能优于传统红外再流焊工艺所获得的电阻焊点的力学性能;片式电阻焊点的剪切力随热循环次数的增加呈现下降趋势,在热循环次数相同时,激光软钎焊焊点的力学性能优于红外再流焊焊点.随着热循环次数的增加,片式电阻焊点的剪切断裂的方式由明显的韧性断裂逐渐向脆性断裂转变.     

Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Cu(Ni)焊点的抗时效性能

采用扫描电镜(SEM)研究在150 ℃等温时效下Cu/Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Cu与Ni/Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Ni焊点的界面扩散行为. 结果表明,在时效过程中,随着时效时间的增加,Cu/Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Cu焊点界面金属间化合物(intermetallic compound,IMC)形貌由开始的细针状生长为棒状,IMC层厚度增加,界面IMC主要成分为(Cu,Ni)₆Sn₅. Ni/Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Ni焊点的界面IMC形貌由细小突起状转变为较为密集颗粒状,且IMC层厚度增加,界面IMC主要成分为(Cu,Ni)₃Sn₄. 经过线性拟合,两种焊点的界面IMC层生长厚度与时效时间t1/2呈线性关系,Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Cu界面间IMC的生长速率为7.39 × 10?2 μm2/h,Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Ni界面间IMC的生长速率为2.06 × 10?2 μm2/h. 镀镍层的加入可以显著改变界面IMC的形貌,也可降低界面IMC的生长速率,抑制界面IMC的生长,显著提高抗时效性能.     

热冲击条件下倒装组装微焊点的可靠性-寿命预测

采用有限元模拟法分析在-55~125℃热冲击过程中倒装微焊点的失效情况,结合模拟及试验数据,根据以能量为基础的Darveaux寿命模型预测关键焊点的疲劳寿命. 结果表明,组装体边角焊点最易失效,裂纹形成在芯片侧焊盘附近的焊料基体中,由焊点的外侧向内侧扩展;根据裂纹平均生长速率和微焊点累积塑性应变能密度,计算获得微焊点Darveaux寿命模型参数K₁,K₂,K₃及K₄分别为1 648.96,-0.234 9,0.004 79及-0.700 4,边角微焊点的疲劳寿命为6171次循环.     

Cu基板退火处理的Cu/Sn58Bi/Cu钎焊接头界面微结构

研究了铜基板退火处理对Cu/Sn58Bi界面微结构的影响. 结果表明,在回流以及时效24 h后Cu/Sn58Bi/Cu界面只观察到Cu₆Sn₅. 随着时效时间的增加,在界面形成了Cu₆Sn₅和Cu₃Sn的双金属间化合物(IMC)层,并且IMC层厚度也随之增加. 长时间时效过程中,在未退火处理的铜基板界面产生了较多铋偏析,而在退火处理的铜基板界面较少产生铋偏析. 比较退火处理以及未退火处理的铜基板与钎料界面IMC层生长速率常数,发现铜基板退火处理能减缓IMC层生长,主要归因于对铜基板进行退火处理能够有效的消除铜基板的内应力与组织缺陷,从而减缓Cu原子的扩散,起到减缓IMC生长的作用.     

循环周期对Sn3.0Ag0.5Cu/Cu钎焊接头界面化合物的影响

基于自制多场耦合装置,利用准原位观察方法,研究了Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点在30~125℃热循环过程中不同循环周期下界面金属间化合物微观形貌和生长变化规律。结果表明:随着循环周期的延长,同一位置处的界面化合物的平均厚度是逐渐增加的,且呈抛物线规律。单个扇贝状的Cu6Sn5在纵向方向上先降低后逐渐变大;在横向方向上,随着循环周期的增加,平均宽度一致增加。当热循环周期达到600时,界面金属间化合物的形貌扇贝状转变成层状。     

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.