【摘 要】
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随着5G网络、人工智能（AI）和自动驾驶等新兴产业的兴起,芯片和电子产品对高性能、小尺寸、高可靠性和超低功耗的需求不断增长。在微电子封装中,钎料提供电子连接,确保焊点的机械支撑和可靠性,是电子设备运行的必要材料。在过去的50年中,传统的Sn-Pb钎料由于在电子连接和机械支撑方面的出色性能而被广泛使用。由于Pb的毒性,目前已经提出了许多环保的Sn基无铅钎料,例如Sn-Bi,Sn-Ag,Sn-Cu,S
【基金项目】
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江苏省研究生科研与实践创新计划项目（KYCX18-2149）,用于 3D 封装的含纳米 Fe/Ni 颗粒高性能无铅钎料研究, 2018.05-2019.05； 先进焊接与连接国家重点实验室项目（AWJ-19Z04）,三维封装芯片堆叠瞬时液相键合互连焊点改性机理研究,2019.01-2021.12；
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随着5G网络、人工智能（AI）和自动驾驶等新兴产业的兴起,芯片和电子产品对高性能、小尺寸、高可靠性和超低功耗的需求不断增长。在微电子封装中,钎料提供电子连接,确保焊点的机械支撑和可靠性,是电子设备运行的必要材料。在过去的50年中,传统的Sn-Pb钎料由于在电子连接和机械支撑方面的出色性能而被广泛使用。由于Pb的毒性,目前已经提出了许多环保的Sn基无铅钎料,例如Sn-Bi,Sn-Ag,Sn-Cu,Sn-Ag-Cu等。共晶Sn58Bi钎料合金的熔点（138℃）比Sn37Pb钎料合金（183℃）低,低熔点可以减少电子设备在高回流温度下的热损伤。此外,Sn Bi合金具有较高的机械强度,良好的润湿性,较大的抗蠕变性和较低的热膨胀系数,可以有效地确保电子封装的可靠性。但是,Sn58Bi钎料也有一些缺点。第一,由于Bi元素的固有脆性,Sn-Bi焊点容易发生脆性断裂。第二,在热时效条件下,Sn58Bi合金的组织容易发生粗化,降低机械强度,从而影响焊点的可靠性。第三,Bi偏析现象和IMC层的过度生长容易导致孔洞的产生,孔洞会成为裂纹的发源地,最终造成电子产品失效。本文通过在Sn58Bi合金中添加颗粒制备复合钎料,来改善Sn58Bi合金的综合性能。具体研究内容如下:（1）研究Sn58Bi-x Fe（x=0、0.03、0.05、0.1、0.2和0.4 wt%）复合钎料的润湿性能、熔化特性、力学性能。使用铺展面积法表征钎料的润湿性,结果表明x=0.05wt%时,铺展面积从107.88 mm~2提高到122.80 mm~2。采用差示扫描量热法表征钎料的熔化特性,Fe颗粒对钎料熔点没有明显影响。通过测量焊点的剪切强度,发现Fe颗粒的含量为0.05 wt%时,焊点的剪切强度从30.10 MPa提高到49.90 MPa,达到最大值。（2）通过扫描电子显微镜研究回流后和时效后焊点的显微组织和界面组织。与原始钎料相比,Sn58Bi-0.05Fe钎料具有相对均匀且最细小的微观结构,且界面IMC的厚度从0.79μm减小到0.62μm。时效期间,相比于Sn58Bi钎料,Sn58Bi-0.05Fe钎料的微观结构的粗化得到抑制,界面IMC的生长较为缓慢。（3）将原始钎料和复合钎料应用于瞬时液相（Transient Liquid Phase,TLP）键合。研究Fe颗粒和Cu Zn Al颗粒对Cu/Sn Bi/Cu TLP焊点微观结构的影响。结果表明TLP键合过程中,三种钎料都可以形成全IMC焊点,说明Sn58Bi钎料、Sn58Bi-0.05Fe钎料和Sn58Bi-0.5Cu Zn Al钎料适用于低温键合和高温应用。添加Cu Zn Al颗粒和Fe颗粒可以抑制Cu/Sn58Bi/Cu界面处IMC的生长和孔洞的产生,添加Fe颗粒的优化效果更为显著。（4）建立了3D封装的有限元模型,分析了热循环载荷作用下封装体的应力分布。结果表明最大应力出现在与芯片接触的拐角IMC焊点的下表面。优化后,von Mises应力降低了69.96%,信噪比提高了10.46 d B,焊点的疲劳寿命从415次增加到533次,表明3D IC的可靠性得到了显着提高。
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