【摘要】：隨著信息時(shí)代和人工智能日新月異的發(fā)展,以及人們對(duì)新一代產(chǎn)品功能更高層次的要求,使得電子封裝不斷朝著小型化、輕型化和多能功能化方向發(fā)展。而焊點(diǎn)作為封裝體中重要的機(jī)械連接和信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu),是影響整個(gè)電子封裝系統(tǒng)乃至整個(gè)設(shè)備可靠性的重要環(huán)節(jié)之一。通常情況下,在服役過(guò)程中,隨著焊點(diǎn)尺寸的不斷減小,使得焊點(diǎn)產(chǎn)生的焦耳熱逐漸增加。并隨著設(shè)備的頻繁開(kāi)關(guān)以及各元器件的服役環(huán)境不穩(wěn)定等因素,焊點(diǎn)將長(zhǎng)期服役于熱疲勞狀態(tài)。經(jīng)研究表明,在熱疲勞狀態(tài)下,焊點(diǎn)可通過(guò)亞晶旋轉(zhuǎn)的連續(xù)再結(jié)晶機(jī)制在其內(nèi)部產(chǎn)生再結(jié)晶,并使焊點(diǎn)的再結(jié)晶區(qū)域組織弱化,且裂紋易于在再結(jié)晶晶粒間萌生并擴(kuò)展,甚至貫穿整個(gè)焊點(diǎn)形成沿晶斷裂而使焊點(diǎn)失效。然而,針對(duì)無(wú)鉛焊點(diǎn)熱疲勞再結(jié)晶的研究并沒(méi)有指出晶體取向演變與裂紋萌生擴(kuò)展之間的關(guān)系,也沒(méi)有明確說(shuō)明無(wú)鉛焊點(diǎn)發(fā)生熱疲勞再結(jié)晶時(shí)亞晶旋轉(zhuǎn)的具體方式,甚至在無(wú)鉛焊點(diǎn)熱疲勞再結(jié)晶機(jī)理的研究中,沒(méi)有清晰地闡述亞晶旋轉(zhuǎn)中亞晶的形成過(guò)程以及再結(jié)晶晶粒細(xì)化的原因�；谝陨蠁�(wèn)題,針對(duì)市場(chǎng)以及工業(yè)上應(yīng)用最多的Sn-3.0Ag-0.5Cu釬料為研究對(duì)象,加之以中空式陶瓷球柵陣列的封裝結(jié)構(gòu),開(kāi)展了熱疲勞條件下無(wú)鉛焊點(diǎn)再結(jié)晶微觀機(jī)理的研究。首先通過(guò)準(zhǔn)原位SEM顯微組織觀察和EBSD觀察相結(jié)合的方法,闡述了無(wú)鉛焊點(diǎn)熱疲勞過(guò)程中裂紋萌生擴(kuò)展與晶體取向演變之間的關(guān)系。其次通過(guò)準(zhǔn)原位EBSD觀察,揭示了熱疲勞條件下無(wú)鉛焊點(diǎn)再結(jié)晶初期的亞晶旋轉(zhuǎn)行為,并建立了亞晶旋轉(zhuǎn)行為與位錯(cuò)滑移之間的關(guān)系。最后通過(guò)HRTEM觀察闡述了無(wú)鉛焊點(diǎn)熱疲勞再結(jié)晶位錯(cuò)增殖和晶粒細(xì)化的微觀過(guò)程。通過(guò)以上研究,為進(jìn)一步提高無(wú)鉛焊點(diǎn)的熱疲勞可靠性奠定了理論基礎(chǔ)。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),Sn基無(wú)鉛焊點(diǎn)在熱疲勞過(guò)程中,由于BGA封裝中芯片的剛度遠(yuǎn)大于PCB而使芯片側(cè)的焊點(diǎn)內(nèi)易于產(chǎn)生塑性變形和局部再結(jié)晶,成為裂紋萌生和擴(kuò)展的主要區(qū)域。在熱疲勞過(guò)程中,當(dāng)重熔狀態(tài)的晶體取向演變?yōu)樾〗嵌热∠虿顣r(shí)裂紋可以在焊點(diǎn)內(nèi)萌生并擴(kuò)展;且裂紋萌生時(shí)晶體取向的演變并未因?yàn)榱鸭y的產(chǎn)生而終止,即熱疲勞過(guò)程中裂紋的萌生與擴(kuò)展和亞晶旋轉(zhuǎn)機(jī)制控制的取向演變過(guò)程是同時(shí)進(jìn)行的。結(jié)合微觀表征手段與滑移跡線分析法,闡述了Sn-3.0Ag-0.5Cu焊點(diǎn)熱疲勞再結(jié)晶初期的亞晶旋轉(zhuǎn)機(jī)制。相同亞晶熱疲勞過(guò)程中受同一激活的滑移系影響而導(dǎo)致以相同的旋轉(zhuǎn)方式旋轉(zhuǎn),而不同亞晶因受力環(huán)境不同導(dǎo)致以不同旋轉(zhuǎn)方式旋轉(zhuǎn)。本課題提出了一種確定滑移系的方法,首先通過(guò)亞晶旋轉(zhuǎn)行為確定了無(wú)鉛焊點(diǎn)在熱疲勞過(guò)程中可能開(kāi)動(dòng)的滑移系族。其次根據(jù)滑移跡線分析方法,確定可能開(kāi)動(dòng)的滑移系,最后對(duì)以上獲得的滑移系取得交集以確定熱疲勞過(guò)程中開(kāi)動(dòng)的滑移系,且以此方法建立了Sn基無(wú)鉛焊點(diǎn)熱疲勞條件下亞晶旋轉(zhuǎn)和滑移系之間的關(guān)系。熱疲勞過(guò)程中,亞晶是通過(guò)位錯(cuò)不斷增殖和塞積形成小角度晶界而形成的。通過(guò)采用HRTEM觀察,觀察到了無(wú)鉛焊點(diǎn)內(nèi)的位錯(cuò)形態(tài),主要是以大量位錯(cuò)團(tuán)聚成點(diǎn)狀缺陷的形式存在。通過(guò)HRTEM觀察和采用KAM法詳細(xì)表征了無(wú)鉛焊點(diǎn)熱疲勞過(guò)程中位錯(cuò)密度的演變規(guī)律,結(jié)果表明回復(fù)區(qū)的位錯(cuò)密度遠(yuǎn)高于未再結(jié)晶區(qū)和再結(jié)晶區(qū)。在具有高位錯(cuò)密度的回復(fù)區(qū)內(nèi)存在有序循環(huán)結(jié)構(gòu)的小角度晶界,表明焊點(diǎn)內(nèi)小角度晶界的形成與位錯(cuò)塞積相關(guān)。在已發(fā)生再結(jié)晶的區(qū)域內(nèi)也發(fā)現(xiàn)了小角度晶界,表明產(chǎn)生小角度晶界并分割再結(jié)晶晶粒是再結(jié)晶晶粒普遍細(xì)小的原因。結(jié)合亞晶旋轉(zhuǎn)與形成機(jī)制提出了基于亞晶界分割晶粒的Sn基無(wú)鉛焊點(diǎn)熱疲勞再結(jié)晶機(jī)理,即:熱疲勞條件下,在再結(jié)晶初期,Sn基無(wú)鉛焊點(diǎn)由于封裝體之間CTE不匹配而產(chǎn)生循環(huán)的應(yīng)力應(yīng)變,致使焊點(diǎn)內(nèi)位錯(cuò)增殖并逐漸運(yùn)動(dòng);當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻塞積后形成小角度晶界;小角度晶界數(shù)量隨熱疲勞周數(shù)的增加而逐漸增加,且晶界度數(shù)也不斷增加,小角度晶界的交匯形成了大量的亞晶粒;亞晶粒通過(guò)由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起的晶體取向演變(即亞晶旋轉(zhuǎn)機(jī)制)而逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樵俳Y(jié)晶晶粒;而產(chǎn)生細(xì)小再結(jié)晶晶粒是新生成的小角度晶界不斷分割再結(jié)晶晶粒或者再結(jié)晶晶粒的結(jié)果。
【圖文】：

成電路（Integrated Circuit, IC）是電子系統(tǒng)的核心部分，而完整的電子過(guò)不同級(jí)別的封裝將集成電路與其他電子元器件在印刷電路板上進(jìn)行互連[1]。不同形式的電子封裝承擔(dān)著信號(hào)運(yùn)輸、電力分配、熱量耗散以持與保護(hù)等作用。因此，不同形式的電子封裝也有不同的層級(jí)，如一級(jí)半導(dǎo)體芯片上的內(nèi)部連接；二級(jí)封裝是指將半導(dǎo)體采用陶瓷等材料進(jìn)行封裝是指實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體封裝與電路板（PrintedCircuitBoard,PCB）的連接級(jí)封裝和二級(jí)封裝之后，所形成的電子封裝將通過(guò)釬焊等手段與電路板形成三級(jí)封裝（如圖 1-1 所示）[2]。釬焊焊點(diǎn)作為電路的重要連接部壽命與整個(gè)集成電路的使用壽命息息相關(guān)，影響著集成電路的工作，成電路中最重要的部分。隨著電子封裝技術(shù)的快速發(fā)展，封裝密度逐漸增量急劇增加，尤其是球柵陣列（Ball Grid Array, BGA）形式的電子封包含大量微米級(jí)的焊點(diǎn)，因此在嚴(yán)峻環(huán)境中服役時(shí)，某一個(gè)焊點(diǎn)的失效個(gè)封裝的失效，進(jìn)而導(dǎo)致集成電路的失效，使電子產(chǎn)品停止工作。這種效可能帶來(lái)經(jīng)濟(jì)上無(wú)法彌補(bǔ)的損失，，甚至對(duì)人身安全造成嚴(yán)重的危害

展[5, 6]，結(jié)果使得電子封裝中互連焊點(diǎn)尺寸逐漸減小，并伴隨著電子封裝服役過(guò)程中引起單個(gè)焊點(diǎn)所承受的電流密度不斷增加，結(jié)果導(dǎo)致芯片或者元器件因焦耳熱的產(chǎn)生而熱量逐漸增加[6-8]。這種焦耳熱的產(chǎn)生首先將焊點(diǎn)置于較高溫度的老化狀態(tài)，焊點(diǎn)易于在應(yīng)力作用下在金屬間化合物（Intermetalliccompounds, IMCs）界面產(chǎn)生裂紋，其次電子設(shè)備在使用中存在頻繁啟動(dòng)現(xiàn)象，這將使電子封裝處于溫度變化的熱疲勞狀態(tài)，嚴(yán)重影響電子封裝的使用壽命。況且，隨著工業(yè)化和信息化的發(fā)展，電子元器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于新能源汽車、通訊、航空航天等諸多領(lǐng)域，對(duì)于互連焊點(diǎn)來(lái)講，其服役的環(huán)境變得前所未有的苛刻。目前電子產(chǎn)品中的無(wú)鉛焊點(diǎn)不僅服役于單一的力、熱、電場(chǎng)環(huán)境中，甚至服役于耦合場(chǎng)的環(huán)境中，使得焊點(diǎn)更容易在復(fù)合場(chǎng)下失效，由此需要進(jìn)一步提高焊點(diǎn)的可靠性[9]。針對(duì)目前的大型或復(fù)雜的電子產(chǎn)品來(lái)講，其互連焊點(diǎn)不計(jì)其數(shù)，然而任何一個(gè)焊點(diǎn)失效都可能造成設(shè)備的停滯，或造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，因此互連焊點(diǎn)可靠性在一定程度上決定了整個(gè)產(chǎn)品的使用壽命[10]。
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN405;O783

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 陳先華;汪小龍;張志華;;鎂合金動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的研究現(xiàn)狀[J];兵器材料科學(xué)與工程;2013年01期

2 許家譽(yù);陳宏濤;李明雨;;基于晶粒取向的無(wú)鉛互連焊點(diǎn)可靠性研究[J];金屬學(xué)報(bào);2012年09期

本文編號(hào)：2681913