时效对Sn-3.8Ag-0.7Cu/Cu焊料接头的组织和拉伸性能的影响

研究Sn-3.8Ag-0.7Cu/Cu焊料接头界面的微观组织在150℃时效不同时间后的演变过程,对时效不同时间的试样进行抗拉强度测定,并在扫描电镜下进行动态拉伸原位观察和拉伸断口的形貌观察.结果表明,Sn-3.8Ag-0.7Cu/Cu焊料接头试样在焊后的界面上形成扇贝状的Cu6Sn5金属间化合物(intermetallic compound,IMC)层,随着时效时间的增加,界面IMC的厚度增加,Cu6Sn5扇柱变长变粗,最后离开界面层进入焊料, 时效480 h后在焊料和Cu6Sn5界面析出Ag3Sn相.拉伸实验结果表明,焊料接头的强度在时效初期略有增加,时效48 h后强度逐渐下降;动态拉伸结果表明,时效初期断裂发生在焊料基体内部,随着时效时间的增加,断裂发生的位置逐渐向界面转移,在时效480 h后断裂完全发生在界面化合物层.     

电子封装跨尺度凸点结构Sn3.0Ag0.5Cu/Cu微互连焊点界面IMC生长与演化及力学行为的尺寸效应

针对目前无铅电子封装中主流应用的Sn3.0Ag0.5Cu钎料,研究了其直径为600～60μm的焊球在开孔型Cu基底(焊盘)上260℃恒温回流不同时间(10～300s)形成跨尺度凸点结构Sn3.0Ag0.5Cu/Cu微互连焊点时界面金属间化合物(IMC)的生长与演化行为,以及跨尺度微焊点的剪切性能与断裂行为。研究结果表明,焊球直径大于200μm时焊点界面IMC生长速率随其尺寸减小而增大,而焊球直径小于200μm时焊点界面IMC生长速率随焊球直径减小呈减小趋势。对微焊点界面显微组织演化的分析表明,界面IMC的粗化生长过程随回流时间延长依次经历了奥斯瓦尔德熟化生长及晶粒吸附与晶界迁移生长两个阶段,且其生长阶段的转变随焊点尺寸减小而更早发生。准静态剪切加载条件下的试验结果表明,微焊点强度随其尺寸减小而增加,而恒温回流时间增加时(10～300 s)同尺寸微焊点的剪切强度并未出现明显变化,但回流时间对大尺寸焊点剪切断裂位置有明显影响。     

电子封装跨尺度凸点结构Sn3.0Ag0.5Cu/Cu微互连焊点界面IMC生长与演化及力学行为的尺寸效应

针对目前无铅电子封装中主流应用的Sn3.0Ag0.5Cu钎料,研究了其直径为600～60μm的焊球在开孔型Cu基底(焊盘)上260℃恒温回流不同时间(10～300s)形成跨尺度凸点结构Sn3.0Ag0.5Cu/Cu微互连焊点时界面金属间化合物(IMC)的生长与演化行为,以及跨尺度微焊点的剪切性能与断裂行为。研究结果表明,焊球直径大于200μm时焊点界面IMC生长速率随其尺寸减小而增大,而焊球直径小于200μm时焊点界面IMC生长速率随焊球直径减小呈减小趋势。对微焊点界面显微组织演化的分析表明,界面IMC的粗化生长过程随回流时间延长依次经历了奥斯瓦尔德熟化生长及晶粒吸附与晶界迁移生长两个阶段,且其生长阶段的转变随焊点尺寸减小而更早发生。准静态剪切加载条件下的试验结果表明,微焊点强度随其尺寸减小而增加,而恒温回流时间增加时(10～300 s)同尺寸微焊点的剪切强度并未出现明显变化,但回流时间对大尺寸焊点剪切断裂位置有明显影响。     

Zn含量对Cu/Sn/Cu-xZn微焊点界面反应的影响

本文以Cu/Sn/Cu-xZn(x=0, 5, 20 wt.%)微焊点为研究对象,探究Zn含量对其在等温和温度梯度下回流时液-固界面反应的影响。等温回流时,微焊点两端界面金属间化合物(Intermetallic compound, IMC)呈对称性生长,且随着Zn含量增加,两端界面IMC厚度略有减小,表明在Cu基体中添加Zn对等温回流时界面IMC生长的抑制作用不明显。温度梯度下回流时,冷、热两端界面IMC呈非对称性生长,且随着Zn含量增加,冷端界面IMC厚度明显减小,表明添加Zn对冷端界面IMC生长有显著抑制作用。这是因为,添加Zn降低了由热迁移引起的用于冷端界面反应的原子通量。此外发现,由于界面处生成Cu(Sn, Zn)层,更加有效地阻挡了热端基体溶解,使得Cu/Sn/Cu-20Zn微焊点中冷端界面IMC生长速率急剧减小。基于界面IMC随回流时间的生长规律,分别获得了等温回流和温度梯度下回流时Cu/Sn/Cu-xZn微焊点两侧IMC的生长动力学。     

等温时效对Sn3.0Ag2.8Cu/Cu焊点界面层组织的影响

对Sn3．0Ag2．8Cu／Cu焊点等温时效后其界面组织的变化进行了SEM、OM以及EDX分析研究，并与Sn37Pb／Cu焊点进行了比较。结果表明：在焊料与铜基板界面上存在Cu6Sn5和Cu3Sn两种金属间化合物，时效过程中Sn3．0Ag2．8Cu焊料与铜的生长速度较慢，金属间化合物的生长属于扩散控制。     

电子封装中Au80Sn20焊料与镀层之间的相互作用及组织演变

电子元器件常通过镀层提高可焊性,主要包括Au、Ni、Cu、Au/Ni(Ti)、Au/Pt/Ti、Au/TiW等。Au80Sn20焊料是电子封装中的常用材料,文中总结了AuSn焊料与镀层之间的相互作用及组织演变。润湿性主要取决于AuSn焊料表面的氧化以及镀层在AuSn焊料中的溶解速度,Cu、Pt的原子结构与Au相似,以置换原子的形式溶解在AuSn焊料中,Ti与AuSn焊料之间的润湿性较差。AuSn焊料与镀层发生界面反应生成(Ni,Au)₃Sn₂、ζ-(Au,Cu)₅Sn、Au₅Sn、Ni₃Sn₄等金属间化合物（IMC）,IMC的形成和组织演变与焊点结构、工艺参数、服役条件等因素有关。     

Cu5Zn8和Sn/Ag3Sn/Ag扩散阻挡层在Sn/Cu钎焊互连界面反应中的作用

电子器件的微型化对钎焊界面的可靠性提出更高的要求,深入研究钎焊界面金属间化合物(Intermetallic compound,IMC)的形貌演变和生长机制具有重要意义.金属Cu具有优良的导电导热性能,在微电子封装行业中广泛应用为基体材料.在钎焊回流过程中,Cu基体与Sn钎料发生界面反应生成IMC,由于IMC具有较高脆性...     

低稳恒磁场对锡锌基合金液与铜片界面反应的影响

利用SEM、XRD等方法研究了0.1 T低稳恒磁场对锡锌合金液/铜片和锡锌铜舍金液/铜片的界面反应过程中金属间化合物(IMC)层的生长、晶体取向以及形貌的影响.结果表明:界面IMC层的厚度随反应时间的延长而增加;在0.1 T磁场下,锡锌合金液/铜片和锡锌铜合金液/铜片的界面IMC层的生长均受到抑制;同时磁场抑制了IMC晶粒的粗化,使IMC颗粒更加细小致密;0.1 T磁场抑制了锡锌合金液/铜片界面处Cu5Zn8(330)的取向度,但对锡锌铜合金液/铜片的界面晶粒取向度影响并不很明显.     

微量钕对Sn-6.5Zn/铜焊点界面组织与性能的影响

采用SEM、EDS和拉伸-剪切试验等方法研究了微量稀土元素钕对Sn-6.5Zn-xNd(x=0,0.1,0.5)钎料/铜焊点界面组织,重点是界面金属间化合物(IMC)特征及结合性能的影响。结果表明:在Sn-6.5Zn合金中添加微量钕具有明显的变质作用,能够促进界面形成均匀细密的Cu5Zn8IMC层;钕添加量的增加对界面IMC尺寸与分布没有产生明显影响;钕添加量为0.1%(质量分数,下同)时能显著改善钎料/铜焊点结合性能,而当添加量为0.5%时,界面处稀土化合物的聚集会导致焊点结合性能下降。     

电子产品用无铅焊料的研究现状和趋势

介绍了电子产品用无铅焊料发展的背景，分析了无铅焊料研究必须解决的若干重要问题，重点介绍了对具有应用价值的锡银系和锡锌系无铅焊料的研究现状和发展趋势，并归纳出解决锡锌系无铅焊料润湿性的方法。     

稀土元素对SnAgCu焊点内部组织的影响机制

随着人们环保意识的逐渐增强,新型无铅钎料的研究成为电子工业中的研究热点,而稀土元素的添加可以显著改善钎料的性能,基于含稀土Ce无铅钎料的钎焊试验,采用扫描电镜和能谱仪研究稀土元素Ce对SnAgCu焊点内部组织的影响机制。结果表明,稀土元素在SnAgCu焊点内部以CeSn3的形式存在,且稀土相形态各异。采用化学亲和力来表征稀土元素Ce与Sn、Ag、Cu之间的内在联系,从理论上证明Ce的“亲Sn性”。采用乌尔夫原理研究稀土元素的吸附现象,解释稀土元素Ce对SnAgCu焊点内部金属间化合物的细化作用。由SnAgCuCe焊点组织分析,发现基体组织中颗粒尺寸大小排序为CeSn3>Cu6Sn5>Ag3Sn,从理论上证明纳米Ag3Sn颗粒在SnAgCuCe焊点强化中发挥着主要的作用。研究结果可以为新型无铅钎料的研究提供理论支撑。     

钎焊工艺对Au-Sn/Ni焊点组织及力学性能的影响*

通过回流焊技术制备Au-Sn/Ni焊点,通过扫描电子显微镜和能谱检测分析钎焊接头的微观组织及其相组成,利用疲劳试验机对焊点的剪切强度进行检测,研究不同钎焊工艺对Au-Sn/Ni焊点组织和力学性能的影响。结果表明,在310 ℃钎焊1 min的Au-Sn/Ni焊点经过水冷或空冷后,焊料内部均形成镶嵌有离散分布的(Ni,Au)₃Sn₂相的(Au₅Sn+AuSn)共晶组织,焊料/Ni界面处形成(Ni,Au)₃Sn₂金属间化合物(intermetallic compound,IMC)层;钎焊后炉冷的焊点,由于冷却速度过慢,导致焊料中Ni质量分数增大,(Ni,Au)₃Sn₂相异常长大消耗共晶组织中的(Au,Ni)Sn相,焊料共晶组织消失。随着钎焊时间的延长,基板中的Ni原子不断往焊料扩散,界面处的IMC层厚度均有不同程度的增加。随钎焊时间延长焊点的剪切强度逐渐下降,而剪切断裂模式为脆性断裂,发生在焊料与金属间化合物层的界面处。Au-Sn/Ni焊点在310 ℃下钎焊1 min,并采用水冷方式时得到的力学性能最佳。     

电子封装焊点可靠性及寿命预测方法

高功率、高密度、小型化是现代电子封装结构的基本特征，软焊料是电子封装中应用最广的连接材料，一个焊点的破坏往往导致整个封装结构的失效。软钎料的无铅化是目前发展的重要趋势。针对目前所开发的无铅焊料，文中介绍电子封装结构中焊点的破坏行为和焊点寿命预测的基本方法。     

某直升机机载设备印制板振动试验失效分析

文中以某机载电子设备振动试验中印制板（PCB）故障现象为研究对象,通过理论分析和ANSYS动力学计算的方法对PCB板产生故障的机理进行了分析和计算。计算结果与试验现象相符,认为谐振和PCB板设计问题是导致该试验故障的原因,并在结构接口方面对引起谐振的情况进行了分析,阐述了结构和电讯方面相应的改进措施。     

微互连接头的蠕变数值模拟及失效寿命预测

电子封装中的微互连接头失效是电子设备的主要失效原因之一.文中根据实际封装期间建立了一个1/8的板级封装组件有限元模型.对微互连接头的蠕变变形进行了数值模拟,并依据疲劳寿命模型进行了失效预测.模拟中的互连接头分别采用了两种钎料（Sn-3.8Ag-0.7Cu和63Sn-37Pb）进行定义,对比了两种钎料的变形及寿命.     

A model-based prognostic approach to predict interconnect failure using impedance analysis

The reliability of electronic assemblies is largely affected by the health of interconnects, such as solder joints, which provide mechanical, electrical and thermal connections between circuit components. During field lifecycle conditions, interconnects are often subjected to a DC open circuit, one of the most common interconnect failure modes, due to cracking. An interconnect damaged by cracking is sometimes extremely hard to detect when it is a part of a daisy-chain structure, neighboring with other healthy interconnects that have not yet cracked. This cracked interconnect may seem to provide a good electrical contact due to the compressive load applied by the neighboring healthy interconnects, but it can cause the occasional loss of electrical continuity under operational and environmental loading conditions in field applications. Thus, cracked interconnects can lead to the intermittent failure of electronic assemblies and eventually to permanent failure of the product or the system. This paper introduces a model-based prognostic approach to quantitatively detect and predict interconnect failure using impedance analysis and particle filtering. Impedance analysis was previously reported as a sensitive means of detecting incipient changes at the surface of interconnects, such as cracking, based on the continuous monitoring of RF impedance. To predict the time to failure, particle filtering was used as a prognostic approach using the Paris model to address the fatigue crack growth. To validate this approach, mechanical fatigue tests were conducted with continuous monitoring of RF impedance while degrading the solder joints under test due to fatigue cracking. The test results showed the RF impedance consistently increased as the solder joints were degraded due to the growth of cracks, and particle filtering predicted the time to failure of the interconnects similarly to their actual timesto- failure based on the early sensitivity of RF impedance.     

Three-dimensional model for electromigration induced evolution of flip chip solder joints

Recent experiments have shown failure in flip chip micro solder joints induced by electromigration. This paper proposes a computational model to simulate the evolution of micro and sub-micro scale solder joints due to electromigration induced diffusion. Complicated morphological changes of the solder bump and multiple mechanisms cause a computational challenge. This is addressed by employing a diffuse interface model with multiple concentrations. To efficiently resolve complications, a semi-implicit Fourier spectral scheme and a biconjugate-gradient method are adopted. Results have demonstrated rich dynamics and solder breakage at the interface on the cathode side. This paper was recommended for publication in revised form by Associate Editor Dae-Eun Kim Dongchoul Kim received a B.S. degree in Mechanical Engineering from Yonsei University in 2000. He then went on to receive his M.S. and Ph.D. degrees from The University of Michigan in 2003 and 2005, respectively. Dr. Kim is currently an Assistant Professor at the School of Mechanical Engineering at Sogang University in Seoul, Korea. Dr. Kim’s research interests are in the area of computational analysis of micro/nanostructures.     

PBGA封装热应力研究与热特性分析

芯片面向上的塑料球栅阵列封装在今天是非常流行的,而电子封装使用多种性能各异的材料,由于这些材料的热膨胀系数各不相同,把其组合成一个整体后,在使用过程中当温度变化时,在不同的材料界面会产生热应力.建立了完全焊点阵列形式的二维模型,采用稳态条件下局部温度加载方式,对塑料球栅阵列封装的热应力进行了数值模拟和ANSYS软件分析.     

挠性印制电路板焊盘表面缺陷的检测

针对挠性印制电路板(FPC)上的焊盘表面缺陷,提出一种基于图像处理技术的智能检测方法。首先,根据缺陷的表现形式对焊盘缺陷进行归纳与分类,采用最大熵值法量化提取焊盘的颜色特征和面积特征;然后,通过评估灰度共生矩阵(GLCM)对纹理颜色变化特征与纹理结构特征量化的有效性,将其应用于焊盘纹理特征的量化与提取。实验分析显示,缺陷焊盘与非缺陷焊盘在某个或多个特征上存在着明显的差异。基于该特点,建立了BP神经网络,以焊盘的颜色、面积、纹理结构、纹理颜色变化特征值作为神经网络的输入,通过学习大量样本,获取最佳权值参数,最终实现对FPC焊盘表面缺陷的检测,检测准确率高达94.6%,50个焊盘的检测时间为300ms。实验结果表明:本文提出的检测方法不仅能够有效地对焊盘表面缺陷进行识别,而且能够满足在线检测对速度的要求。     

Prediction enhancement of the J-lead interconnection reliability of land grid array sockets

The solder joint is a key component in land grid array (LGA) sockets. A simplified solder joint has been widely used in finite element model (FEM) computations because the J-lead interconnection solder joint is relatively complex. Therefore, there are discrepancies between the physical phenomenon and FEM simulations. In this study, an alternative method to simulate the J-lead interconnection solder joint through an interface program using surface evolver software is presented. Simulations of the J-lead interconnection solder joint were improved to reduce the mismatch between the actual physical shape and the simplified finite element models that are typically used to predict component reliability. To perform these simulations, an interface program capable of simulating solder interconnections for twelve different pad–solder combinations was developed. Predictions of J-lead interconnection solder joints were carried out using the interface program. Geometric comparisons between experimental data and predictions showed good agreement, with the exception of wetting height. To evaluate the prediction accuracy of the simulated J-lead solder joints, FEM analysis was performed for the static load and the thermal cycle.