论文部分内容阅读
随着微电子产品的持续小型化和多功能化趋势的发展，微电子封装中焊点的尺寸越来越小，界面间的金属间化合物(IMC)所占比例变大，由于焊点界面IMC的脆性以及各组件间存在的热失配问题，这在一定程度上增加了焊点失效的可能性。同时焊料的力学性能及其微观结构的演化也是影响焊点可靠性的重要因素，因此对焊料力学性能和焊点微观结构演化的研究成为当前微电子封装可靠性研究的关键科学问题之一。为了进一步优化低银无铅焊料的性能，本文对低银焊料Sn-0.3Ag-0.7Cu掺杂氧化铈(CeO2)纳米粒子制备了复合焊料，探索了再流焊过程中掺杂氧化铈(CeO2)纳米粒子对金属间化合物的生长及界面微观结构的影响机理，并对Sn-0.3Ag-0.7Cu-xCeO2复合焊料合金的剪切性能、蠕变行为及低周疲劳等力学性能及相关机理进行了系统的研究。研究的主要内容和结果如下：
研究掺杂CeO2纳米粒子对复合焊料合金在再流焊过程中的微观演化及界面间化合反应影响的结果显示，添加CeO2纳米粒子后复合焊料合金的微观结构得到优化，焊料/Cu界面间及Sn基体内的IMC晶粒得到细化，在掺杂CeO2的浓度为0.5wt.%时，可达到最佳的细化效果；界面间IMC的厚度和晶粒尺寸均随再流焊时间的延长而增加，CeO2纳米粒子的加入对界面间IMC的生长具有明显抑制作用；为进一步研究及分析复合焊料合金在再流焊过程中界面间IMC的生长机理，基于质量守恒理论、菲克扩散理论及准稳态近似方法提出了一种扩散控制的IMC生长动力学模型，模型得到的结果显示，界面间Cu原子的扩散率在再流焊早期有最大值，并很快出现快速下降趋势，随后趋于稳定，这与界面间IMC层的形成和生长数据相符，模型计算结果与理论分析相吻合，这说明该扩散模型可用于进一步解释复合焊料合金焊点界面间IMC的生长过程及界面间Cu原子的扩散机理；CeO2纳米粒子的添加对界面反应过程中Cu原子的扩散行为的影响符合非均相成核机制。
研究CeO2纳米粒子的添加对Sn-0.3Ag-0.7Cu-xCeO2复合焊料合金剪切性能影响的结果显示，掺杂CeO2纳米粒子后复合焊料合金的剪切性能有明显提升，其机理在于添加的CeO2纳米粒子可抑制焊料合金中共晶相的生长，而更小的共晶相的钉扎作用更明显，因此增强了复合焊料合金的剪切性能。当掺杂CeO2纳米粒子的含量为0.5wt.%时，可获得最佳剪切性能的复合焊料合金；基于幂律及阿诺其关系式提出了一种温度、应变率和最大剪切应力关系的修正模型，模型计算结果与剪切实验数据吻合较好，因此新的模型可用于分析复合焊料合金的剪切性能及理解温度、应变率对剪切性能的影响机理。掺杂CeO2纳米粒子使IMC细化后，因剪切作用形成的孔洞及韧窝状结构尺寸更小，因而孔洞更难于链接起来形成裂纹或更大的孔洞，从而推迟了更大的孔洞及裂纹的形成，因此提高了复合焊料合金的剪切性能。
研究Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.5CeO2复合焊料合金在不同应力、温度下蠕变行为的结果显示，复合焊料合金的蠕变激活能为40.87-48.61kJ/mol，蠕变激活能已较为接近高银焊料Sn-3.9Ag-0.6Cu与Sn-3.8Ag-0.7Cu的水平，说明CeO2纳米粒子可有效提高低银焊料合金的蠕变激活能，使其在Ag含量较低的情况下就拥有接近高银焊料合金的蠕变性能；Sn-0.3Ag-0.7Cu和Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.5CeO2的派-纳力和位错滑移激活能都较小，说明了焊料合金内的位错滑移的障碍阻力较小，因此位错滑移极易发生。含CeO2纳米粒子的焊料合金的派-纳力和滑移激活能都大于不含CeO2纳米粒子的焊料合金，表明复合焊料合金的位错滑移阻力更大，因此力学性能要优于不含CeO2纳米粒子的焊料合金。文中基于奥罗万应力理论探讨了复合焊料合金在不同温度下的内应力阈值应力，同时结合内应力提出了一种改进的蠕变模型。结果显示，改进的蠕变模型对Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.5CeO2复合焊料合金的蠕变行为模拟结果优于原模型。
研究Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.5CeO2复合焊料合金低周疲劳行为的结果显示，疲劳寿命指数、材料延性系数随着温度的升高而降低，这反映了温度的升高将降低复合焊料合金的低周疲劳寿命及焊料合金的延展性能；结果还显示疲劳指数和延性系数对频率有较强的依赖性，因此对Coffin-Manson关系式进行了频率修正，并建立了频率指数、低周疲劳寿命指数、材料延性系数与温度的关系式。修正模型对不同频率及不同温度对复合焊料合金低周疲劳寿命的影响有较好的消除作用。
研究掺杂CeO2纳米粒子对复合焊料合金在再流焊过程中的微观演化及界面间化合反应影响的结果显示，添加CeO2纳米粒子后复合焊料合金的微观结构得到优化，焊料/Cu界面间及Sn基体内的IMC晶粒得到细化，在掺杂CeO2的浓度为0.5wt.%时，可达到最佳的细化效果；界面间IMC的厚度和晶粒尺寸均随再流焊时间的延长而增加，CeO2纳米粒子的加入对界面间IMC的生长具有明显抑制作用；为进一步研究及分析复合焊料合金在再流焊过程中界面间IMC的生长机理，基于质量守恒理论、菲克扩散理论及准稳态近似方法提出了一种扩散控制的IMC生长动力学模型，模型得到的结果显示，界面间Cu原子的扩散率在再流焊早期有最大值，并很快出现快速下降趋势，随后趋于稳定，这与界面间IMC层的形成和生长数据相符，模型计算结果与理论分析相吻合，这说明该扩散模型可用于进一步解释复合焊料合金焊点界面间IMC的生长过程及界面间Cu原子的扩散机理；CeO2纳米粒子的添加对界面反应过程中Cu原子的扩散行为的影响符合非均相成核机制。
研究CeO2纳米粒子的添加对Sn-0.3Ag-0.7Cu-xCeO2复合焊料合金剪切性能影响的结果显示，掺杂CeO2纳米粒子后复合焊料合金的剪切性能有明显提升，其机理在于添加的CeO2纳米粒子可抑制焊料合金中共晶相的生长，而更小的共晶相的钉扎作用更明显，因此增强了复合焊料合金的剪切性能。当掺杂CeO2纳米粒子的含量为0.5wt.%时，可获得最佳剪切性能的复合焊料合金；基于幂律及阿诺其关系式提出了一种温度、应变率和最大剪切应力关系的修正模型，模型计算结果与剪切实验数据吻合较好，因此新的模型可用于分析复合焊料合金的剪切性能及理解温度、应变率对剪切性能的影响机理。掺杂CeO2纳米粒子使IMC细化后，因剪切作用形成的孔洞及韧窝状结构尺寸更小，因而孔洞更难于链接起来形成裂纹或更大的孔洞，从而推迟了更大的孔洞及裂纹的形成，因此提高了复合焊料合金的剪切性能。
研究Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.5CeO2复合焊料合金在不同应力、温度下蠕变行为的结果显示，复合焊料合金的蠕变激活能为40.87-48.61kJ/mol，蠕变激活能已较为接近高银焊料Sn-3.9Ag-0.6Cu与Sn-3.8Ag-0.7Cu的水平，说明CeO2纳米粒子可有效提高低银焊料合金的蠕变激活能，使其在Ag含量较低的情况下就拥有接近高银焊料合金的蠕变性能；Sn-0.3Ag-0.7Cu和Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.5CeO2的派-纳力和位错滑移激活能都较小，说明了焊料合金内的位错滑移的障碍阻力较小，因此位错滑移极易发生。含CeO2纳米粒子的焊料合金的派-纳力和滑移激活能都大于不含CeO2纳米粒子的焊料合金，表明复合焊料合金的位错滑移阻力更大，因此力学性能要优于不含CeO2纳米粒子的焊料合金。文中基于奥罗万应力理论探讨了复合焊料合金在不同温度下的内应力阈值应力，同时结合内应力提出了一种改进的蠕变模型。结果显示，改进的蠕变模型对Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.5CeO2复合焊料合金的蠕变行为模拟结果优于原模型。
研究Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.5CeO2复合焊料合金低周疲劳行为的结果显示，疲劳寿命指数、材料延性系数随着温度的升高而降低，这反映了温度的升高将降低复合焊料合金的低周疲劳寿命及焊料合金的延展性能；结果还显示疲劳指数和延性系数对频率有较强的依赖性，因此对Coffin-Manson关系式进行了频率修正，并建立了频率指数、低周疲劳寿命指数、材料延性系数与温度的关系式。修正模型对不同频率及不同温度对复合焊料合金低周疲劳寿命的影响有较好的消除作用。