电-力耦合作用下Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu微焊点的拉伸力学性能和断裂行为

对比研究三明治结构线形Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu微焊点在拉伸、电-拉伸和电迁移后电-拉伸三种加载模式下的力学行为和断裂特性,并基于电流引发的焦耳热效应和电迁移效应,从电流对原子和空位扩散、空位浓度及位错滑移与攀移的影响等方面,探讨电-力耦合载荷对焊点拉伸断裂行为的影响。结果表明,焊点在电-拉伸时应力-应变曲线呈现快速变形、线性变形和加速断裂三阶段,其中快速变形阶段是以焦耳热引起的热弹性变形为主,而拉伸和电迁移后电-拉伸时应力-应变曲线只存在线性变形和加速断裂阶段;电迁移后电-拉伸时焊点断裂强度和断裂应变最小而等效模量最大,拉伸加载时焊点断裂强度和断裂应变最大而等效模量最小;电-拉伸时β-Sn相趋于沿电、力加载方向排列;三种加载模式下焊点断裂均发生在钎料体内,呈韧性断裂。     

极端热冲击和电流密度耦合Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点组织演变

深空探测环境中电子设备焊点面临极端温度和电场耦合的严峻考验.在-196～150℃极端温度热冲击和1.5×104A/cm2电流密度的耦合载荷下,对Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点的微观组织演变规律和电流拥挤效应进行分析,描述焊点微观组织演变及电阻变化之间的联系.试验结果表明,热冲击前期,阳极处IMC厚度呈抛物线规律增加,...     

Bi和Ni元素对Cu/SAC/Cu微焊点体钎料蠕变性能的影响

借助纳米压痕试验方法,对Cu/SAC305/Cu,Cu/SAC0705/Cu和Cu/SAC0705BiNi/Cu微焊点体钎料在不同最大载荷下的压入蠕变性能进行比较,并分析和讨论Bi、Ni元素的添加对低银Cu/SAC0705/Cu微焊点体钎料蠕变性能的影响。试验采用一次加载-卸载方式,加载时最大载荷分别为20mN、30mN、40mN和50mN,保载时间均为180s。采用FEISIRION扫描电子显微镜对微焊点体钎料在不同最大载荷下的压痕形貌进行观察。结果表明:在相同最大载荷和保载时间条件下,3种微焊点中Cu/SAC0705BiNi/Cu的蠕变深度和压痕尺寸均小于Cu/SAC305/Cu和Cu/SAC0705/Cu。在4种不同最大载荷下,与Cu/SAC0705/Cu微焊点体钎料相比,Cu/SAC0705BiNi/Cu微焊点体钎料的压入蠕变率分别降低了11.883%、16.059%、8.8157%和12.891%。Bi、Ni元素的添加,使Cu/SAC0705/Cu微焊点体钎料的蠕变应力指数提高了32.175%,有效提高了低银Cu/SAC0705/Cu微焊点体钎料的抗蠕变性能。     

SnAgCu/SnAgCuCe焊点的显微组织与性能

针对SnAgCu和SnAgCuCe两种无铅焊点,研究焊点内部组织、力学性能及热疲劳特性。研究结果表明,稀土元素Ce的加入可以提高焊点的力学性能,稀土元素的添加可以使SnAgCu焊点拉伸力提高近12.7%。稀土元素的添加细化SnAgCu基体组织,同时减小金属间化合物颗粒(Cu6Sn5和Ag3Sn)的尺寸,这是SnAgCuCe焊点力学性能提高的主要原因。拉伸断裂后的扫描电镜分析表明,两种焊点的断裂呈现明显的韧性断裂特征。另外在温度循环载荷下,稀土元素可以显著提高SnAgCu焊点的疲劳寿命。基于有限元模拟发现SnAgCuCe的抗蠕变性能显著高于SnAgCu焊点。     

微电子封装中焊点疲劳模型的现状和发展

在电子元件的设计和电子封装的可靠性评估中焊点的热-机械可靠性是一个关键的因素.已经有许多疲劳模型提出和发展用于分析焊点在热-机械疲劳载荷下的可靠性问题.对这些模型进行了回顾,并对它们的应用和局限性作出了评价.     

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...     

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。     

无铅微焊点界面断裂行为的尺寸效应

采用有限元模拟和试验方法研究不同尺寸的"铜引线/钎料/铜引线"对接结构微焊点在准静态微拉伸载荷下的断裂行为,以及电迁移与热时效作用对其断裂性能的影响.结果表明,随着微焊点高度的减小,焊点中界面裂纹扩展驱动力逐渐减小,抗断裂性能有所提高;界面裂纹尖端剪切型裂纹扩展驱动力KⅡ值明显高于张开型裂纹扩展驱动力KⅠ值;Sn-Ag-Cu无铅钎料微焊点中界面裂纹的应力强度因子KⅡ和KⅠ远低于Sn-Pb钎料微焊点,其抗断裂能力要明显优于后者.模拟结果还表明,电迁移极性效应导致的金属间化合物增厚对微焊点断裂性能影响不大,而焊点边缘微空洞的横向薄饼状扩展导致界面应力集中系数显著上升,最大Von Mises等效应力点位于金属间化合物/铜界面处;微焊点在热时效过程中两侧界面金属间化合物层厚度的增加使界面裂纹尖端的应力水平近似呈指数函数衰减.     

残余应力对混合组装BGA热循环可靠性影响

研究混装球栅阵列(Ball grid array,BGA)回流焊后产生的残余应力对热循环寿命产生影响。根据Sn63Pb37/Sn3.0Ag0.5Cu均匀混装BGA封装实体,建立有铅和混装BGA封装体ANSYS有限元模型。通过加载不同峰值温度(220~265℃)和不同降温速度(1~6℃/s)的回流温度曲线后,得到BGA封装体焊点残余应力、应变。随后选取峰值温度243℃、降温速度3℃/s条件下的回流焊后BGA封装体模型施加热循环载荷,根据修正Coffin-Manson方程预测焊点寿命。研究结果表明:回流焊中降温速度对焊后应力占主导因素,应力降温速度的增加逐渐由27.9 MPa增加到32.5 MPa,而峰值温度对焊后应变影响明显;热循环分析中BGA焊球左上角区域始终处于高应力应变状态,均匀混装BGA寿命稍低于SnPb焊点BGA;回流焊工艺后进行热循环加载结果表明残余应力对Sn63Pb37/Sn3.0Ag0.5C均匀混装BGA寿命影响不大。     

Cu/SAC305/Cu微焊点的剪切蠕变试验及数值模拟

采用基于动态力学分析仪(DMA Q800,TA-Instruments)的精密蠕变试验,针对直径400 μm、高250 μm的Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu无铅微尺度焊点,研究了其在10MPa恒定应力和不同温度(100℃、110℃、120℃)以及100℃恒定温度和不同应力(8 MPa、10MPa、l2 MPa...     

Sn-3.0Ag-0.5Cu/ENEPIG焊点界面反应及剪切性能的尺寸效应

将直径分别为200,300,400μm的Sn-3.0Ag-0.5Cu焊球在化学镍/钯/金(ENEPIG)焊盘上进行多次(1,3,5,7次)钎焊回流形成Sn-3.0 Ag-0.5 Cu/ENEPIG焊点,并对回流3次的焊点进行不同温度(75,100,125℃)的时效处理,研究了焊球尺寸对钎焊回流及时效处理后焊点界面组织及剪切强度的影响.结果表明:钎焊回流和时效处理后,焊点界面金属间化合物层的厚度及焊点的剪切强度均随焊球直径的增大而降低,二者表现出明显的尺寸效应;在焊球尺寸相同的条件下,回流次数的增加和时效温度的升高均会导致界面金属间化合物层厚度的增加,以及焊点剪切强度的降低.     

电子封装可靠性:过去、现在及未来

电子封装是芯片成为器件的重要步骤,涉及的材料种类繁多,大量材料呈现显著的温度相关、率相关的非线性力学行为.相关工艺过程中外界载荷与器件的相互作用呈现典型的多尺度、多物理场特点,对电子封装的建模仿真方法也提出了相应的要求.在可靠性验证方面,封装的失效主要包括热-力致耦合失效、电-热-力致耦合失效等.随着新型封装材料、技术的涌现,电子封装可靠性的试验方法、基于建模仿真的协同设计方法均亟待新的突破与发展.     

TiN/Cu电火花加工用电极温度场仿真分析

建立电火花加工温度场物理模型和数学模型,并利用MSC.Marc有限元软件对TiN/Cu电极电火花加工(EDM)温度场进行仿真,以探索TiN/Cu电极热损耗规律。仿真结果表明:在相同电参数下,TiN/Cu电极表面温度比内部温度高;在电压25V、电流6A和脉宽10μs条件下,获得最小深径比为0.264 3。     

Sn对AlSi7Cu2Mg合金性能和组织的影响

通过拉伸测试、光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）二次电子像、背散射电子像和微区能谱分析,研究了Sn对AlSi7Cu2Mg合金性能和组织的影响。结果表明,当Sn含量（质量分数）大于0.2%时,AlSi7Cu2Mg合金的抗拉强度和延伸率显著降低。添加了Sn元素的AlSi7Cu2Mg合金中Si相粗化,大小不一且分布不均匀。     

微/纳尺度Cu-Sn界面冶金行为研究进展

随着电子芯片封装尺度高度集成化和功能化,对芯片互连结构的性能需求越来越高.而三维封装互连结构是实现多芯片间系统集成的关键技术之一,微/纳尺度Cu-Sn互连结构是实现三维封装互连的重要方向.重点阐述了电子封装中Cu-Sn互连结构值得关注的几种界面动力学行为,分别为固-液界面Cu6Sn5的生长;Cu-Sn界面层状IMCs固...     

硬铬镀层厚度均匀性研究

铬镀层的硬度高,耐磨性好,而且可以在高温下工作,可以广泛地用于需要耐磨的零件和工具、量具、模具,以及修复零件的尺寸.针对硬铬镀层厚度不均匀的问题,通过对电镀铬层电导率、电流密度、槽液温度、槽液循环、电流效率等因素的研究,分析各要素对零件电镀铬层均匀性的影响,指出合理的电流密度为-3000～-6000 A/m2,电镀温度...     

阵列微流道电场辅助辊压成形技术研究

提出了电场辅助辊压成形制备大面积阵列微流道结构的工艺方法,修正了传统辊压理论模型,发现增大辊半径和辊齿间隙与齿宽之比可以提高填充高度。通过建立阵列微流道电流辅助热-电-力耦合有限元仿真模型确定了“板对板”通电方式以及辊压工艺方案,开展了不同工艺参数下电场辅助SUS304不锈钢阵列微流道辊压成形试验。结果表明,在辊压成形过程中,板材表面温度分布均匀,但板材横截面电流密度分布不一致,导致微流道不同区域应力分布不同,高密度电流可以降低流动应力的大小且减弱微流道不同区域应力的差异。在工艺参数方面,适当增大辊压力可以提高微流道成形质量,较低的同步辊速有利于微流道的成形。在最佳工艺参数组合下制造出的微流道平均宽度为0.302 mm±0.011 mm,平均深度为0.362 mm±0.010 mm。     

油泵用机械密封摩擦副界面热-结构耦合分析

以热-结构耦合数值计算理论为基础,同时施加温度和力载荷边界条件,对处于高速、高压等高参数极端工况热油泵用波纹管机械密封装置摩擦副界面进行了热-结构耦合数值建模与计算分析。研究了密封环摩擦副界面的温度场特点及温度、热应力分布规律,分析了密封环在温度载荷和力载荷耦合作用下密封环的变形情况。结果表明:最高温度产生在摩擦副内径处,最大热变形在摩擦副外径处;动静环配对材料的导热系数越大,产生的最高温度就越小;在摩擦副的外径侧产生的变形有利于形成收敛型间隙。     

Ag/YBa2Cu3O7-δ自润滑复合材料的力学及摩擦性能

利用粉末冶金法制备了组织均匀的Ag/YBa2Cu3O7-δ(YBCO)自润滑复合材料,采用XRD和SEM对其物相组成和显微结构进行了表征,分析了银含量对复合材料显微组织、力学性能和摩擦性能的影响.结果表明:常温常压下,当银质量分数为10%时,复合材料的摩擦性能最好,随银含量增加复合材料硬度减小,断裂韧度增大;真空条件下,复合材料的摩擦因数随银含量的增加而降低,且基本不随滑动速度的变化而变化;当温度降低到超导体的超导转变温度时,YBCO的摩擦因数急剧降低.