Sn63Pb37、Sn3.0Ag0.5Cu钎料及其焊点的低温可靠性研究

摘要

深空探测是一项关系着国防和人类文明的重要活动，在深空环境中，电子器件内部互连材料将工作在极低温大温变的环境当中。数据统计表明，电子器件的失效中70％是由器件内部互连焊点失效导致的。针对在极端环境中钎料与焊点的力学性能和失效机理的研究相对较少的现状，本文对Sn63Pb37、Sn3.0Ag0.5Cu钎料及其焊点在极低温大温变条件下的可靠性进行了研究。
　　对Sn、Sn63Pb37、Sn3.0Ag0.5Cu三种钎料及其Cu焊点在20℃、-50℃、-100℃、-150℃下，采用0.001/s、0.01/s两种拉伸速率进行单轴拉伸实验。实验数据表明，随着环境温度的降低，钎料的强度不断提高，其中Sn的强度最低，Sn3.0Ag0.5Cu的强度最高。钎料的断裂模式在-150℃下由之前的韧性断裂转变为脆性断裂，断裂模式为解离断裂。同时发现，较高的拉伸速率可获得较高的材料强度。Cu/Sn/Cu、Cu/Sn63Pb37/Cu、Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu三种焊点的拉伸强度随着温度的降低呈现先提高后降低的趋势，其中Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu拉伸强度相对较高，Cu/Sn/Cu拉伸强度最低，对焊点的断口形貌分析表明温度的降低会导致焊点断裂模式出现从穿晶断裂到沿晶断裂的转变。采用位错强化模型分析了温度和应变速率对于材料强度的影响。
　　对Sn63Pb37、Sn3.0Ag0.5Cu钎料在-196℃存储不同天数后的微观组织分析表明，随着存储天数的增长，钎料内部元素趋向于均匀分布，可提高材料的可靠性。对Cu/Sn/Cu、Cu/Sn63Pb37/Cu、Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点在存储过程中的演变发现，焊点中金属间化合物厚度基本不变，而随着存储天数的增多，焊点中出现kirkendall孔洞及裂纹等缺陷的扩展和长大。同时，钎料的拉伸强度并不受存储天数的影响，而屈服强度随着存储天数的增加而减小；Cu/Sn/Cu、Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点的拉伸强度表现出现先升高后降低的趋势，而Cu/Sn63Pb37/Cu焊点的强度不断降低。在相同存储天数条件下，不同焊点的断口中都同时存在韧性断裂、解离断裂和沿晶断裂特征。
　　在-196～150℃的大温变热循环实验中，随着循环周期的增多，钎料的拉伸强度和屈服强度降低，而焊点的拉伸强度先升高后降低。通过断口分析，发现了Sn63Pb37、Sn3.0Ag0.5Cu钎料在循环过程中出现微小的空洞和裂纹；而焊点在循环过程中，发现了断裂模式从韧性断裂到解离断裂，再到沿晶断裂的转变过程。
　　采用有限元方法计算了Sn63Pb37、Sn3.0Ag0.5Cu焊点的CBGA器件在-150～150℃和-55～125℃两种温度循环后的应力应变分布，发现器件焊点阵列最大应力出现在边角处焊点。对两种器件在不同温度循环条件下的寿命进行计算，表明大温变条件下CBGA器件的寿命比常规循环过程中的寿命有明显的降低，Sn63Pb37焊点CBGA器件具有较高的可靠性。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究目的

1.2国内外的研究现状

1.3本文主要研究内容

第2章 实验材料与方法

2.1实验过程概述

2.2实验材料

2.3实验方法与设备

2.4本章小结

第3章 Sn63Pb37、S3.0Ag0.5Cu钎料与其焊点的低温拉伸力学性能及断裂行为

3.1钎料的低温拉伸力学性能分析

3.2钎料的低温拉伸断口及其断裂行为

3.3 Sn基钎料Cu焊点的低温拉伸力学性能分析

3.4 Sn基钎料Cu焊点的低温拉伸断裂行为

3.5本章小结

第4章 Sn63Pb37、Sn3.0Ag0.5Cu钎料及其焊点在极低温大温变环境中的可靠性

4.1钎料及焊点的极低温存储可靠性

4.2钎料及焊点的大温变热循环可靠性

4.3本章小结

第5章 Sn63Pb37、Sn3.0Ag0.5Cu焊点CBGA器件极低温大温变条件下的有限元分析

5.1有限元方法热力学分析基础理论

5.2 CBGA器件几何模型设计

5.3有限元模型的建立

5.4 CBGA器件热循环后热应力分析

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

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