多场耦合条件下微型无铅焊点蠕变行为研究

摘要

随着国际上环保法规及相关法律的陆续实施，各个国家在无铅钎料的研发和可靠性研究上蓬勃开展。焊点的可靠性决定了电子封装产品的服役可靠性，尤其是抗蠕变性能，并已受到普遍关注。但是对于SnAgCu焊点在耦合条件下的蠕变性能研究却很少有文献报道。本文以广泛应用的Sn3.0Ag0.5Cu钎料合金为参照系，自主研制了多场耦合蠕变测试装置和测试方法，通过拉伸蠕变试验，确定了耦合条件下温度对SAC305/Cu无铅焊点蠕变特性的影响，得出在当前的应力与温度范围内的蠕变指数和蠕变激活能，并确定了蠕变本构方程；为了研究无铅焊点蠕变性能与金属间界面化合物之间的关系，通过采用显微硬度刻痕的新型原位观察方法，研究了不同温度条件下SAC305/Cu无铅焊点蠕变组织特征。在同样的试验条件下，研究了电流和磁场对SAC305/Cu无铅焊点分别在高低应力下的蠕变性能和组织变化。
　　本研究主要内容包括：⑴耦合蠕变试验表明：所设计的耦合蠕变装置有效可靠，能够用于不同条件的蠕变测试。通过本实验条件所测得的蠕变性能参数：应力指数n为8.24，激活能Q为43.76KJ/mol，并构建了材料的蠕变本构方程。可以初步认为SAC305/Cu无铅焊点的蠕变机制主要是位错攀移的结果，而攀移速率主要通过β-Sn的晶界滑动过程控制。界面的原位观察结果表明在同一加载条件下，随着温度的升高，钎料基体中的界面IMC达成连续的界面IMC层速率越快。温度越高蠕变试样的第二相Ag3Sn颗粒析出速度及体积越大。⑵多场耦合下施加电流的SAC305/Cu无铅焊点，在15MPa高应力下，蠕变寿命随着电流密度增加而明显降低，电流越大稳态阶段越不明显；当电流密度分别为70A/cm2、600A/cm2及1×103A/cm2时稳态蠕变速率是未施加电流焊点的2.5倍、3.3倍及10倍；当电流为1×103A/cm2时，界面化合物厚度较未施加电流增大了0.16μm。在7MPa低应力下，蠕变曲线能够观察到典型蠕变的三个阶段，电流增大使焊点的稳态蠕变区间变窄；当电流密度分别为70A/cm2、600A/cm2及1×103A/cm2时稳态蠕变速率是未施加电流焊点的1.5倍、2.1倍及3倍，与高应力下相比稳态蠕变速率并未急剧增加；相同加载时间内与无电流条件相比，随着电流的增大，界面厚度逐渐增加，形貌由扇贝状变为层状；基体组织中逐渐析出点状Ag3Sn，数量逐渐增多、粗化。⑶多场耦合下施加磁场的SAC305/Cu无铅焊点，在15MPa高应力下，焊点很快发生了失效，焊点几乎没有稳态蠕变阶段而直接进入加速蠕变阶段；试样稳态蠕变速率随着磁场强度增加有减小趋势，但影响不大；界面层形貌和化合物颗粒也未观察到明显区别，分别为起伏扇贝状及胞状。在7MPa低应力下，蠕变曲线主要特征表现为稳态蠕变，未出现加速扩展；磁场强度增加，蠕变寿命逐渐减小；与未施加磁场相比稳态蠕变速率分别提高了1.1，1.2倍；磁场增大使得焊点中化合物颗粒由胞状长大为不规则的条状多边形，且磁场越大条状多边形粒子越多。对比发现，在蠕变速率和界面形貌变化上，电流对SAC305/Cu无铅焊点的影响均强于磁场。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 无铅钎料

1.1.1 无铅钎料问题的提出

1.1.2 无铅钎料研究现状

1.1.3 SnAgCu系合金及其研究动态

1.2 无铅钎料的可靠性问题及研究现状

1.2.1 无铅钎料的失效模式及机理

1.2.2 无铅钎料的可靠性问题

1.2.3 无铅焊料可靠性问题研究现状

1.3 蠕变理论基础

1.3.1 蠕变简介

1.3.2 蠕变机制

1.3.3 蠕变本构方程及其构建

1.4 研究意义及研究的主要内容

1.4.1 研究意义

1.4.2 主要研究内容

第2章 实验方法及过程

2.1 耦合条件下蠕变装置简介

2.2 实验方法及过程

2.2.1 钎焊焊点的制备

2.2.2 实验条件

2.2.3 稳态蠕变速率的测试及数据处理

2.2.4 微观分析

第3章 耦合条件下温度对SnAgCu/Cu焊点蠕变性能影响

3.1 SAC305/Cu无铅焊点蠕变性能

3.1.1 SAC305/Cu无铅焊点蠕变曲线

3.1.2 SAC305/Cu无铅焊点稳态蠕变速率

3.1.3 应力指数n的确定

3.1.4 激活能Q的确定

3.1.5 常数A的确定

3.2 试样组织的原位观察

3.3 蠕变机制的探讨

3.4 本章小结

第4章 耦合条件下电流、磁场对SnAgCu/Cu焊点蠕变性能影响

4.1 耦合条件下电流对SAC305/Cu焊点蠕变性能影响

4.1.1 试验条件

4.1.2 试验结果与分析

4.2 耦合条件下磁场对SAC305/Cu焊点蠕变性能影响

4.2.1 试验条件

4.2.2 试验结果与分析

4.3 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果