电子封装无铅微焊点的蠕变行为及镀层锡须生长机制研究

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伴随电子产品日益趋向无铅化、多功能化和极小化,电子封装互连微焊点和锡镀层所承受的电载荷及热载荷越来越严重,以致蠕变、锡须等可靠性问题越来越突出,已成为学术界和业界广泛关注的焦点。本论文系统地研究了不同含量微量合金元素(Bi、Ni)对Sn-0.3Ag-0.7Cu(SAC0307)低银无铅钎料线性微焊点的拉伸蠕变及断裂行为的影响,进一步研究了热-电耦合作用下微焊点元素扩散、界面IMC生长演变规律及蠕变断裂行为;同时,在阐明锡镀层厚度及外加载荷对锡须生长行为的影响规律的基础上,首次提出了外加载荷作用下镀锡层锡须的复合生长机制。研究了不同Bi含量(1.03.0%)和Ni含量(0.020.10%)对SAC0307钎料微焊点在80125℃温度和815 MPa应力作用下的拉伸蠕变变形及断裂行为的影响,并构建了其蠕变本构方程。结果表明:(1)微量元素(Bi、Ni)均提高了微焊点的蠕变激活能(Q)和蠕变应力指数(n),Bi、Ni含量分别为3.0%和0.05%时微焊点的抗蠕变性能最强;(2)Bi、Ni对微焊点的蠕变激活能和蠕变应力指数影响接近,其值都分别在82.4494.41 KJ/mol和4.354.75之间,主要原因是在该温度和应力范围内,蠕变变形都受位错攀移控制;(3)Bi、Ni对微焊点断裂方式有显著影响,Bi在SAC0307微焊点中以颗粒状弥散分布在微焊点内部,起到阻碍位错运动、增加晶界滑移的作用,导致其微焊点蠕变断裂集中发生在钎料部位,断裂方式以韧性断裂为主;含Ni元素的SAC0307钎料微焊点中,在界面和钎料内部形成尺寸较为细小的(Cu1-xNix)6Sn5晶粒,该晶粒的形成既增加了位错数量,又起到阻碍晶间滑移的作用,使微焊点的断裂位置在钎料/IMC界面处,断裂方式以韧-脆混合断裂为主。研究了SAC0307-3.0Bi钎料微焊点在热-电耦合作用下的元素扩散、界面金属间化合物(IMC)的生长演变、热-电耦合预处理对微焊点的蠕变变形及断裂行为的影响规律,构建了热-电耦合作用下微焊点的蠕变本构方程。结果表明:(1)随热-电耦合加载时间的增加,阴极界面形貌变化显著,IMC厚度呈现减少的趋势;而阳极界面厚度与加载时间近似呈抛物线变化特征。耦合实验初期,焊点两侧元素扩散方式以浓度梯度引起的元素扩散为主,扩散到一定程度后,浓度梯度减少,随后以电子风力引起的原子扩散占主导。(2)热-电耦合会加速阴极侧空洞和微裂纹的形成,从而加速焊点的失效进程,耦合电流密度越大或耦合时间延长,空洞形成和微裂纹扩展速度越快。(3)热-电耦合预处理对微焊点蠕变变形曲线特征影响较小,但随着热-电耦合加载时间的增加,微焊点的蠕变速率增加,蠕变寿命显著缩短,抗蠕变性能降低。热-电耦合预处理改变了SAC0307-3.0Bi钎料微焊点蠕变断裂位置和断裂方式,蠕变断裂位置由预处理前的集中发生在钎料处向阴极界面转移,断裂方式由韧性断裂向脆性断裂过渡,断口处有明显的裂纹和空洞,但其蠕变变形仍受位错攀移控制。研究了热-力耦合对锡镀层表面锡须生长密度及生长速度的影响规律。结果表明:(1)随着热-力耦合加载时间的增加,锡须生长速度和密度显著增加,经50℃热-力耦合作用24 h后的镀层表面锡须的平均生长速度和平均长度均最大,分别为194根/mm2和3.43μm,并且拉应力作用下镀层表面生长的锡须数量明显比压应力下少。进一步研究发现,在外加载荷作用下,镀锡层锡须生长机制是一种动态再结晶机制和IMC生长压应力机制协同作用下的复合生长机制;(2)经电流加载的镀层表面,阳极端锡须生长的最大长度与直径明显大于阴极端;相同电流密度加载,阴极端先于阳极端出现圆形空洞;随电流密度加载时间的延长,阴极端空洞逐渐聚集形成裂纹,裂纹宽度随电流密度的增加而变宽。
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