La对Sn-0.3Ag-0.7Cu回流焊点纳米力学性能影响

随着电子产业的不断发展,对微连接焊点可靠性的要求越来越高. 文中在Sn-0.3Ag-0.7Cu的基础上添加第四种微量元素La,并制备出多种不同铼含量的焊球,通过回流焊得到Sn-0.3Ag-0.7Cu-xLa焊点. 采用纳米压痕仪对焊点进行一次加载—卸载试验,对试验所得到的载荷—位移数据通过采用Ma物理反解析法可得出焊点的纳米压痕硬度H、弹性模量E及蠕变速率敏感指数m等焊点的性能参数.研究稀土元素La对焊点纳米力学性能的影响. 结果表明,随着微量稀土元素La含量的增加,焊点的硬度、弹性模量表现出明显的增长趋势,而且抗蠕变性能随着铼含量的上升呈线性上升趋势.     

Nd对Sn-3.8Ag-0.7Cu/Cu焊点高温可靠性的影响

通过研究150℃时效条件下Sn-3.8Ag-0.7Cu-0.05Nd/Cu焊点剪切力变化和界面微观结构演变,探讨稀土元素Nd对焊点高温可靠性的影响及其影响机制.结果表明,不同时效时间后Sn-3.8Ag-0.7Cu-0.05Nd/Cu焊点剪切力明显高于Sn-3.8Ag-0.7Cu/Cu焊点,且时效过程中Sn-3.8Ag-...     

Bi含量对Cu/Sn-0.3Ag-0.7Cu/Cu微焊点蠕变性能的影响

采用光学显微镜、电子显微镜和动态力学分析等方法研究Bi含量对直径为400μm、高度为200μm的无铅Cu/Sn-0.3Ag-0.7Cu(SAC0307)/Cu微尺度焊点的显微组织及蠕变性能的影响。结果表明:当焊点中Bi含量较低(1%(质量分数))时,其基体组织细小,Cu_6Sn_5为粗大块状,Ag_3Sn分布不均匀;当焊点中Bi含量较多(3%(质量分数))时,基体组织与Cu_6Sn_5进一步细化,Ag_3Sn在细化的同时分布更均匀,界面扇贝状IMC层更平直。另外,温度为80~125℃、应力为8~15 MPa条件下,拉伸蠕变试验得到SAC0307微焊点的蠕变激活能(Q)和蠕变应力指数(n)分别为82.9 k J/mol和4.35;当钎料中Bi含量由1.0%增加到3.0%时,焊点的Q值从89.2 k J/mol增加到94.6 k J/mol,n值由4.48增加到4.73,钎焊接头的抗蠕变能力明显提高,所有焊点的蠕变变形机制主要受位错攀移控制。     

剪切应力作用下的Cu/Sn-0.7Cu/Cu焊点蠕变性能研究

研究了Cu/Sn-0.7Cu/Cu焊点在蠕变温度为100℃,剪切应力分别为3.62、2.53和1.78 MPa时的蠕变行为。结果表明,3种应力状态下,焊点都呈现出初始蠕变、稳态蠕变和加速蠕变3个典型阶段,并且随着蠕变应力的降低,蠕变寿命延长、稳态阶段的应变速率降低;当蠕变应力较大时,蠕变断裂受位错的滑移、攀移机制控制,而当蠕变应力较小时,蠕变断裂受晶界滑移机制控制;断裂位置位于焊点内部中心。在试验条件下,界面IMC对焊点的蠕变性能没有显著的影响。     

RE对Sn2.5Ag0.7Cu/Cu焊点性能的影响

利用X射线衍射分析仪(XRD)和JSM-5610LV扫描电镜(SEM)研究RE含量对Sn2.5Ag0.7Cu/Cu焊点界面区显微组织、剪切强度和蠕变断裂寿命的影响。结果表明:Sn2.5Ag0.7CuxRE焊点界面区金属间化合物由靠近钎料侧Cu6Sn5和靠近Cu基板侧Cu3Sn构成;添加微量RE可细化Sn2.5Ag0.7Cu焊点内钎料合金的显微组织和改善钎焊接头界面区金属间化合物的几何尺寸及形态;当RE添加量为0.1%时,焊点的剪切强度最高,蠕变断裂寿命最长。     

工艺参数对Sn-0.3Ag-0.7Cu/Cu焊点界面组织和力学性能的影响

互连焊点界面反应形成的金属间化合物(IMC)对焊点服役可靠性会产生显著影响。研究了不同工艺参数(回流温度、回流时间和回流次数)条件下,Sn-0.3Ag-0.7Cu/Cu焊点界面金属间化合物的演变及对焊点力学性能的影响,同时对焊点断裂机制进行了分析。结果表明,随着回流温度和回流时间的增加,金属间化合物η-Cu6Sn5相的形貌由贝状向板条状转变,并可观察到η相溶入焊点内部。在265℃回流时,随着回流时间增加,贝状η相不断长大,晶粒数不断减少;界面IMC的生长符合幂指数生长规律,其生长指数为0.339。回流次数对焊点剪切强度的影响为先增后减,断裂模式从纯剪切断裂到微孔聚集型断裂再到局部脆断转变。     

Cu/Sn-0.7Cu-0.05x/Cu焊点界面组织形貌及力学性能的研究

研究了Cu/Sn-0.7Cu-0.05Ni/Cu和Cu/Sn-0.7Cu-0.05Fe/Cu焊点的界面组织形貌、钎料铺展性能及焊点力学性能。结果表明:在Sn-0.7Cu钎料中添加Fe和Ni颗粒均可以抑制金属间化合物层生长,使得界面致密平整,同时减小了液态钎料在铜基板上的表面张力,提高了铺展性能,而且使钎料的抗拉强度和塑性性能得到了一定程度的提高。与Fe颗粒相比,Ni颗粒的添加能更好地改善钎焊焊点的性能。     

时效时间对Sn-58Bi-xCe/Cu焊点组织及显微硬度的影响

研究了时效时间对Sn-58Bi/Cu和Sn-58Bi-0.5Ce/Cu焊点组织和显微硬度的影响。结果表明:随着时效时间增加,Sn-58Bi/Cu和Sn-58Bi-0.5Ce/Cu焊点组织逐渐粗化,界面IMC厚度不断增加;同一时效时间下,Sn-58Bi-0.5Ce/Cu焊点的晶粒尺寸和界面IMC层厚度均低于Sn-58Bi/Cu焊点。焊点的显微硬度均随时效时间增加先增大后降低,且Sn-58Bi-0.5Ce/Cu焊点的显微硬度均高于Sn-58Bi/Cu焊点。Ce颗粒的添加可有效抑制时效过程中焊点组织的粗化及界面IMC层厚度的增加,从而获得较高的显微硬度。     

Bi含量对Sn-0.3Ag-0.7Cu钎料微观组织 及接头性能的影响

以Sn-0.3Ag-0.7Cu低银无铅钎料为研究对象,添加不同量的Bi(1.0％～4.5％)元素,和Cu盘进行钎焊,取部分试样进行高温时效处理.观察分析了Bi对钎料微观组织结构的影响,以及Bi对焊接接头界面金属间化合物(IMC)显微形貌演变、生长动力学和接头剪切强度的影响.研究结果表明;Bi元素的加入使钎料基体内晶粒尺寸变得细化而均匀,且随着Bi含量的增加可以显著提高钎料钎焊接头的剪切强度,断口经过扫描电镜观察发现剪切断面均沿着剪切方向有明显的塑性变形,这表明焊点中发生的是塑性断裂;高温时效试验表明,钎料基体中Bi的存在降低了界面IMC的生长速率,且随着Bi含量的增加,抑制IMC生长的作用越大.但是过量的Bi会使组织粗化,且对IMC生长的抑制作用反而会变差.IMC层厚度随着时效时间的延长明显增加,断裂机制很快由钎料基体的韧性断裂逐渐变为界面IMC的脆性断裂,使焊接接头的剪切强度明显下降.     

时效对Sn-0.7Cu-0.05Ni-xSm/Cu焊点界面与抗剪强度的影响

以Sn-0.7Cu-0.05Ni-xSm/Cu焊点为对象(元素Sm含量分别为0,0.025,0.05,0.1和0.2(质量分数,%)),研究焊后与经过160 ℃,24,96和360 h时效后,焊点界面金属间化合物(IMC)与抗剪强度的变化. 结果表明,在钎料中未添加稀土元素Sm时,IMC层凹凸不平;加入微量元素Sm,IMC层变的平坦顺滑. 时效会使IMC不断长大,其界面形貌由原始的扇贝状向平直均匀的层状转变. 元素Sm含量在0.025%～0.1%范围内时,不论时效前还是时效后,IMC层较薄. 元素Sm对界面IMC的生长有抑制作用,有益于提高焊点的可靠性. 加入微量稀土元素Sm以后,焊点抗剪强度发生了变化. 不论时效前还是时效后,当元素Sm含量为0.025%时,焊点抗剪强度都是最高.     

Bi对Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi/Ni焊点IMC的影响

无铅钎料和基板间金属间化合物(1MC)的生长对元器件的可靠性有重要影响.使用Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi无铅钎料与Ni盘进行焊接,并对焊点进行了180℃时效试验,时效时间分别为O、24、96、216和384h.采用金相显微镜、扫描电镜和能谱仪观察分析了钎料与Ni界面IMC的生长及形貌变化,并对其焊点IMC层Ni的分布进行了分析,同时对其界面生长速率进行了拟合.结果表明:Sn-0.3Ag-0.7Cu焊料与Ni焊盘之间的IMC是棒状的(CuxNi1-x)6Sn5,Bi的加入并没有起到很好的抑制作用,而是随着Bi含量的增加IMC先增加后减少.Sn-O.3Ag-0.7Cu/Ni焊点IMC中Ni的平均含量(wN)分为15%、5%两区域.由近Ni向钎料基体方向呈下降趋势.但是Sn-O.3Ag-0.7Cu-3.0Bi/Ni焊点IMC中Ni的平均含量在7%左右.时效后IMC层的厚度会随着老化时间的延长而增加,但是Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi/Ni焊点由于Bi的析出IMC增长得缓慢;Sn-0.3Ag-0.7Cu/Ni焊点(CuxNi1-x)6Sn5中15%Ni的含量区域逐渐过渡到5%区域,但是Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi/Ni焊点IMC中Ni的平均含量维持9%较时效前有所增加.通过生长速率计算,Sn-O.3Ag-0.7Cu-xBi/Ni焊点IMC的生长速率随着Bi含量的增加而减少.     

稀土Pr对Sn-0.3Ag-0.7Cu钎料润湿性能和微焊点力学性能的影响

采用润湿平衡法研究了微量稀土Pr元素对Sn-0.3Ag-0.7Cu在Cu基板上润湿性能的影响规律,并借助STR-1000型微焊点强度测试对Sn-0.3Ag-0.7Cu-x Pr微焊点的力学性能。结果表明,随着稀土Pr含量的增加,钎料在Cu基板上的润湿力逐渐增加,润湿时间缩短。当Pr的质量分数在0.05%~0.1%时,Sn-0.3Ag-0.7Cu-x Pr钎料的润湿性能最好。在260℃的试验条件下,Sn Ag Cu-0.1Pr相比Sn Ag Cu钎料润湿力提高了5.0%,润湿时间降低了16.9%。且当Pr含量约为0.05%时,微焊点的力学性能最佳,焊点的剪切强度提高了8.5%。     

BGA结构Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu焊点低温回流时界面反应和IMC生长行为

采用差示扫描量热法将焊点的熔化行为表征与焊点回流焊工艺相结合,研究了球栅阵列（BGA）结构单界面Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu微焊点在钎料熔化温度附近等温时效形成局部熔化焊点时的界面反应及界面金属间化合物（IMC）的生长行为.结果表明,在钎料熔点217℃时效时,焊点中钎料基体仅发生界面局部熔化;而在稍高于熔点的218℃时效时,焊点钎料基体中全部共晶相和部分-Sn相发生熔化,且Cu基底层的消耗量显著增大,绝大部分Cu基底直接溶蚀进入钎料基体并导致界面IMC净生长厚度相对217℃时效时减小;等温时效温度升高至230℃时,焊点中钎料基体全部熔化,界面IMC厚度达到最大值.界面IMC的生长动力学研究结果表明,界面Cu₆Sn₅和Cu₃Sn层的生长分别受晶界扩散和体积扩散控制,但界面IMC层的晶界凹槽、晶粒粗化和溶蚀等因素对其生长行为也有明显影响.     

回流时间对纯铜基板Sn0.3Ag0.7Cu钎料钎焊焊点组织和力学性能影响

以Sn0.3Ag0.7Cu为钎料,纯Cu板为基板,采用过渡液相扩散焊工艺制备Cu/Cu₃Sn/Cu₆Sn₅/Cu₃Sn/Cu多层结构全金属间化合物焊点,通过扫描电子显微镜和能谱仪分析了焊点的组织形貌和成分,测试了焊点的抗剪强度,研究了界面金属间化合物的生长机理。结果表明,由于温度梯度的影响,冷端Cu₆Sn₅生长速度大于热端。回流时间为5 h时,焊缝形成全金属间化合物,焊缝界面较为平整且无缺陷,抗剪强度由32.16 MPa降至21.29 MPa,降低了33.8%,断裂模式由塑性断裂最终演变为脆性断裂。     

时效Sn-0.3Ag-0.7Cu/OSP、ENIG焊点剪切强度的比较

研究了Sn-0.3Ag-0.7Cu钎料与有机防氧化涂层(OSP)及化学镀镍金镀层(ENIG)焊盘回流焊后焊点界面IMC和剪切强度在不同时效条件下的变化.结果表明,(1)随着时效时间的增加,两种焊盘的界面IMC厚度都增加,并且符合抛物线生长规律,但是OSP焊盘界面IMC生长速率要快于ENIG焊盘界面IMC的生长速率,其界面IMC的形貌逐渐平整;(2)OSP和ENIG焊盘焊点的剪切强度均随时效时间的延长而下降.在低温时效时,ENIG焊盘焊点的剪切强度高于OSP焊盘焊点的剪切强度;然而,在高温时效时,ENIG焊盘焊点的剪切强度却低于OSP焊盘焊点的剪切强度.     

电迁移对Cu/Sn-58Bi-0.01CNTs/Cu焊点组织及可靠性的影响

选用直流稳压电源对Cu/Sn-58Bi-x CNTs/Cu(x=0,0.01)焊点的抗电迁移性能进行了测量,研究了不同通电时间下焊点的组织、界面IMC形貌及蠕变性能。结果表明:随着通电时间的增加,钎料焊点的显微组织均呈粗化的趋势,焊点界面IMC形貌均由扇贝状趋于平坦,厚度呈上升的趋势,钎料焊点的蠕变断裂寿命均降低。与同一通电时间的焊点阳极对比,焊点阴极附近的组织更为细小,界面IMC更薄;相较于同一通电时间的Sn-58Bi钎料焊点,Sn-58Bi-0.01CNTs复合钎料的焊点显微组织更为细小,界面IMC更薄,焊点的蠕变性能更优。     

时效时间对Cu/In-Sn-2.5Ag/Cu焊点组织形貌及剪切性能的影响

研究了Cu/In-Sn-2.5Ag/Cu复合钎料焊点在125℃时效不同时间后的微观组织和剪切性能.结果表明:随着时效时间的延长,Cu/In-Sn-2.5Ag/Cu焊点界面金属间化合物(IMCs)层厚度呈现增加的趋势,焊点界面IMCs层组织先生成Cu6(In,Sn)5相,同时焊点中生成少量的Ag9In4相,随着时效时间的...     

结构变化对Cu/Sn-58Bi/Cu微焊点电迁移行为和组织演变的影响

利用SEM观察、聚焦离子束(FIB)微区分析和有限元模拟对比研究了直角型和线型Cu/Sn-58Bi/Cu微焊点在高电流密度下(1.5×10~4A/cm~2)的电迁移行为,从原子扩散距离和微区域电阻变化及阴阳极物相变化的角度研究了焊点结构变化对电迁移影响的机理.结果表明,2种焊点通电112和224 h后均发生了Bi向阳极迁移并聚集及Sn在阴极富集的现象;直角型焊点阳极由于Bi聚集后膨胀而产生压应力进而导致小丘状凸起和微裂纹出现,而阴极存在拉应力引发凹陷和微裂纹,且沿界面呈非均匀变化.微区组织分析表明,电迁移作用下焊点内部Bi原子的扩散速度大于Sn原子的扩散速度.观察分析和模拟结果还表明,具有结构不均匀性的直角型焊点中电子流易向电阻较小区域聚集而产生电流拥挤效应,这是引起直角型焊点电迁移现象严重的根本原因.     

Cu/Sn-58Bi/Cu焊点电迁移行为研究

采用双辊快速凝固技术制备了Sn-58Bi钎料薄带,并制备Cu/Sn-58Bi/Cu线性焊点。使用电子探针(EPMA)及能谱分析(EDS)研究焊点在电流密度为1×10^4 A/cm^2(25℃)下界面金属间化合物(IMC)、元素扩散与钎料基体组织演变规律。结果表明,随着通电时间延长阳极界面处的IMC层的形状从扇贝状转变为锯齿状,阴极界面处的IMC层由扇贝形变为不规则,其厚度逐渐增加。阳极由于Bi的偏聚形成了富Bi层,Sn在阴极偏聚,基体共晶组织(Bi+β-Sn)粗化。基于线性拟合可知,阳极和阴极的界面IMC层的生长系数n分别为0.263和0.442,其生长机制可归结为体积扩散。