【摘要】：隨著電子產(chǎn)品不斷向微型化以及高性能方向發(fā)展,電子封裝密度逐漸增大。焊料凸點(diǎn)的尺寸和焊點(diǎn)間節(jié)距逐漸減小,導(dǎo)致無(wú)鉛焊料連接的可靠性問題變得越來越突出。尤其隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展,汽車電子的可靠性逐漸成為開發(fā)者關(guān)注的重要問題。另一方面,焊料凸點(diǎn)的尺寸的降低引發(fā)一系列電遷移問題。因此評(píng)價(jià)高可靠性焊料在高溫服役下的可靠性,以及抗電遷移性能變得十分必要。本文以IA和MB兩種新型汽車電子商用高可靠性焊膏為研究對(duì)象,并以常用的Sn3.8Ag0.7Cu(SAC387)和Sn3.0Ag0.5Cu(SAC305)無(wú)鉛焊膏作為對(duì)比,主要從以下三個(gè)方面開展研究工作:(1)研究高可靠性合金IA與Cu基板的界面反應(yīng),以SAC305為對(duì)比,通過對(duì)界面化合物的生長(zhǎng)方式、速度研究回流時(shí)間對(duì)界面化合物厚度的影響,優(yōu)化回流工藝。(2)研究三種無(wú)鉛焊膏互連焊點(diǎn)回流焊后其焊點(diǎn)組織及界面化合物(intermetallic compound,IMC),以及高溫存儲(chǔ)(老化)后其焊點(diǎn)微觀組織變化規(guī)律及界面IMC生長(zhǎng)規(guī)律及機(jī)理。(3)研究互連焊點(diǎn)的抗電遷移性能,通過對(duì)其化合物生長(zhǎng)方式、陰極孔洞的觀察,探究添加元素對(duì)互連焊點(diǎn)抗電遷移性能的影響。IA和SAC305焊料與Cu基板在250℃下的回流反應(yīng)后界面IMC分別由(Cu,Ni)6Sn5和Cu6Sn5組成。IA界面IMC厚度均大于SAC305焊點(diǎn)中界面IMC的厚度。回流時(shí)間為5s時(shí),IA焊料與Cu反應(yīng)不充分,有部分Sn殘留在界面IMC內(nèi)部導(dǎo)致IMC不致密,部分(Cu,Ni)6Sn5呈現(xiàn)出樹枝狀指向焊料內(nèi)部。隨著回流時(shí)間的增加,界面化合物的厚度隨回流時(shí)間的增加而增加,IA界面IMC變得致密,枝狀的界面IMC會(huì)脫離界面,剝離到焊點(diǎn)內(nèi)部,導(dǎo)致界面IMC厚度有所降低。在150℃下高溫存儲(chǔ)不同時(shí)間發(fā)現(xiàn),隨著熱時(shí)效時(shí)間的增加,化合物厚度增加,IA焊點(diǎn)中Cu3Sn的厚度生長(zhǎng)得到明顯抑制,其厚度低于SAC305焊點(diǎn)。IA焊點(diǎn)中偏聚的Bi元素隨著熱時(shí)效的進(jìn)行而彌散分布在Sn基體中。對(duì)使用SAC387的WLCSP互連焊點(diǎn)在125℃、150℃、175℃進(jìn)行高溫存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)后,開展了焊點(diǎn)中界面化合物生長(zhǎng)及柯肯達(dá)爾(kirkendall)孔洞的研究。結(jié)果表明,對(duì)于IA和MB焊料回流后焊點(diǎn)界面化合物為(Cu,Ni)6Sn5,焊點(diǎn)內(nèi)部為β-Sn、板條狀A(yù)g3Sn以及Sn與小顆粒Ag3Sn組成的共晶組織。其中Bi元素彌散分布在Sn基體中,Sb元素在(Cu,Ni)6Sn5中用EDS可以檢測(cè)到,其含量在1.2at%～1.8at%之間。而在SAC387焊點(diǎn)中界面化合物為Cu6Sn5,焊點(diǎn)內(nèi)部為β-Sn、板條狀A(yù)g3Sn以及Sn與小顆粒Ag3Sn組成的共晶組織。隨著時(shí)效時(shí)間的增加,界面IMC厚度增加。其中IA和MB界面IMC增長(zhǎng)速度要小于SAC387。并且在Cu6Sn5/(Cu,Ni)6Sn5與Cu基板之間出現(xiàn)Cu3Sn,在Cu3Sn內(nèi)部生成kirkendall孔洞,kirkendall孔洞數(shù)量也隨著時(shí)效時(shí)間的增加而增加。隨著時(shí)效溫度的提高,界面IMC生長(zhǎng)速度提高,kirkendall孔洞數(shù)量也明顯增多。其中IA和MB界面IMC增長(zhǎng)速度要小于SAC387,Cu3Sn內(nèi)的kirkendall孔洞數(shù)量也要小于SAC387。經(jīng)過對(duì)三種焊點(diǎn)界面IMC的擴(kuò)散激活能的計(jì)算,SAC387擴(kuò)散激活能最小,為66.8KJ/mol,IA的擴(kuò)散激活能最大,為106.8KJ/mol,而MB的擴(kuò)散激活能為89.26KJ/mol,擴(kuò)散激活能越大說明IMC生長(zhǎng)速度越小。另外,IA和MB焊點(diǎn)中的晶粒取向較為一致,而SAC387焊點(diǎn)中晶粒取向差別較大。電遷移對(duì)IA、MB和SAC387焊點(diǎn)的影響研究結(jié)果表明,三種焊點(diǎn)在電遷移過程中均表現(xiàn)出極性效應(yīng),即陽(yáng)極化合物增厚,陰極化合消耗。其中IA焊點(diǎn)和MB焊點(diǎn)陽(yáng)極化合物增長(zhǎng)的速度大于SAC387焊點(diǎn),而陰極消耗的速度低于SAC387焊點(diǎn)。隨著電遷移的進(jìn)行,IA和MB焊點(diǎn)中的Bi元素偏聚在陽(yáng)極界面處。綜合電遷移的時(shí)間以及陰極裂紋寬度和陽(yáng)極化合物增長(zhǎng)速度來看,IA和MB兩種焊料的抗電遷移性能不如SAC387焊料。
【圖文】：

全、更好也更為龐大復(fù)雜的組裝技術(shù)，也是把二級(jí)封裝后的各個(gè)插板或插卡再共同插裝逡逑在一個(gè)更大的母版上構(gòu)成的，這實(shí)際上是一種立體組裝技術(shù)。它也涉及一些研究?jī)?nèi)容，，逡逑主要是信號(hào)傳輸和電磁兼容。以上四個(gè)等級(jí)的關(guān)系可以在圖１．１中體現(xiàn)出來。逡逑８ＧＡ逡逑ＢｕｔｔＰＧＡ邐＾逡逑ＰＬＣＣ邋一、逡逑X滃澹雹牽危茫茫緬五五五義希錚螅椋蓿媯媯襄濉義希阱危掊澹模桑繡澹酰蟈濉狽B逡逑—時(shí)ｇ）邋Ｑｓｗｆｇ）邋＾邐＾邐０＞ｐ逡逑ｔ0－邋９邋Ｑ邋＾邐＠）逡逑’邐％邋子邋Ｗ邐１邋Ｔｒ邋Ｉ邋１Ｃ邋｜邋ＬＳ？邋｜邋ＶＬＳＩ邋［邋ＶＬｓＴ逡逑１９５０邐Ｉ９６０邐１９７０邐１９８０邐１９９０邐２０００逡逑年份逡逑圖１．２半導(dǎo)體封裝的種類、特征隨時(shí)間的變遷ｍ逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋ＩＣ邋ｐａｃｋａｇｅ邋ｈｉｓｔｏｒｙ邋ａｎｄ邋ｔｒｅｎｄｓ邋［１］逡逑在二級(jí)封裝中，最重要的一道工序就是釬焊，微電子器件幾乎都是靠釬料焊接到逡逑ＰＣＢ板上的。目前主要使用通孔插裝技術(shù)（Ｔｈｒｏｕｇｈ邋Ｈｏｌｅ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）和表面安裝技術(shù)逡逑（Ｓｕｒｆａｃｅ邋Ｍｏｕｎｔ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ），另外，一級(jí)封裝中使用較多的是倒裝技術(shù)（Ｆｌｉｐｃｈｉｐ）。逡逑隨著電子產(chǎn)品的小型化，球柵陣列封裝（Ｂａｌｌ邋Ｇｒｉｄ邋Ａｒｒａｙｓ）的應(yīng)用也逐漸增加，導(dǎo)致焊逡逑料凸點(diǎn)尺寸逐漸降低，這對(duì)微電子釬焊提出了更高的要求。并且集成電路封裝形式出現(xiàn)逡逑了巨大的變革，如圖１．２所示。隨著微電子封裝的發(fā)展，球柵陣列封裝ＢＧＡ邋（Ｂａｌｌ邋Ｇｒｉｄ逡逑Ａｒｒａｙ）

邋？邐ｙ邋＇逡逑ｍａｍｍ逡逑圖１．４Ｓｎ－５８Ｂｉ焊料的微觀組織結(jié)構(gòu)逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｅｕｔｅｃｔｉｃ邋Ｓｎ－５８Ｂｉ逡逑１．３．邋３．邋３邋Ｓｎ－９Ｚｎ邋無(wú)鉛焊料逡逑Ｓｎ－９Ｚｎ無(wú)鉛焊料是共晶成分，其熔點(diǎn)為１９９°Ｃ，非常接近Ｓｎ－Ｐｂ共晶合金的熔點(diǎn)，其逡逑典型的微觀組織如下圖１．５所示［４Ｇ】。共晶組織由兩相組成：體心四方的Ｓｎ基體相和含有逡逑不到１９ｘｖｔ．％Ｓｎ的密排六方Ｚｎ的固溶體。當(dāng)冷卻速度過快時(shí)，凝固后的組織顯示出大晶粒，逡逑并且形成均勻的兩相共晶區(qū)。Ｓｎ－９Ｚｎ焊料價(jià)格非常便宜，機(jī)械性能良好，材料的拉伸強(qiáng)逡逑度較高但塑性不太好［４Ｍ３］。在Ｓｎ－Ｚｎ系焊料中，Ｓｎ和Ｚｎ均能與Ｃｕ反應(yīng)生成金屬間化合物逡逑［４４］。由于Ｚｎ的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，容易氧化腐蝕，使得該焊料的潤(rùn)濕性和抗氧化性極差逡逑［４５＿４７］，在波峰焊時(shí)有過多的氧化浮渣產(chǎn)生，因此必須在氮?dú)獾榷栊詺夥罩羞M(jìn)行。研宄表逡逑明，通過添加Ｂｉ、Ｉｎ、稀土元素Ｃｅ、Ｌａ等可以明顯提高焊料的潤(rùn)濕性能逡逑圖１．５Ｓｎ－９Ｚｎ焊料的微觀組織結(jié)構(gòu)［４０］逡逑１０逡逑
【學(xué)位授予單位】：大連交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG42

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2644598