Sn基无铅互连焊点局部再结晶与弱化损伤机制

摘要

随着微电子器件与微系统封装的小型化、高密度化及多用途化,微互连焊点所承载的热-机械和电气负荷越来越重,因此对互连焊点可靠性的要求也越来越高。通常,无铅钎料互连焊点仅由一个或几个晶粒构成,表现出明显的各向异性,而且互连焊点在服役过程中常会发生再结晶行为。和常规再结晶不同,钎料焊点中的再结晶过程伴随着金属间化合物(Intermetallic compounds, IMC)的聚集长大,会降低互连焊点局部再结晶区的力学性能,裂纹易于在弱化的再结晶区形核并扩展,进而导致互连焊点可靠性的下降。本文针对含有限晶粒的Sn基无铅互连焊点,对其局部再结晶形成机制及微观组织弱化损伤机制进行研究。
　　绝大部分的无铅钎料都是Sn基合金,其中Sn含量一般为95wt.％以上,而且重熔制备的球栅阵列(Ball Grid Array, BGA)焊点往往仅由一个或几个β-Sn晶粒所构成,β-Sn为各向异性的体心四方(Body-Centered Tetragonal, BCT)晶体结构,这就使得含有限数目晶粒的无铅钎料互连焊点表现出强烈的各向异性。由于不同取向的晶粒其热-机械响应各异,因此晶粒取向的差异将会对互连焊点损伤的积累以及随后的失效模式造成不同程度的影响。实验结果表明在热-机械疲劳(Thermomechanical fatigue, TMF)条件下,Sn-Ag基无铅互连焊点出现了明显的局部再结晶行为,而这一过程伴随着钎料基体内Ag3Sn IMC颗粒的粗化长大,这就导致Ag3Sn颗粒的弥散强化效应大大削弱,从而引起互连焊点发生局部力学性能的弱化。和重熔制备的初始互连焊点的微观组织相比,再结晶和非再结晶组织的显微维氏硬度分别下降了约39%和20%。晶间裂纹可以在弱化的再结晶区萌生并扩展,最终导致互连焊点的失效。通过电子背散射衍射(Electron Backscattered Diffraction, EBSD)技术对同一互连焊点再结晶行为进行近原位观察发现,在 TMF载荷作用下,互连焊点中首先出现了亚晶,亚晶通过合并及沿着不同轴旋转不同角度得到再结晶晶粒。
　　在室温机械疲劳载荷(四点弯曲、剪切及拉伸)作用下,Sn基钎料互连焊点的应力和应变集中区也会发生局部再结晶行为,这表明温度不是 Sn-Ag-Cu钎料合金发生再结晶的限制性因素,应力和应变水平也起到了重要的作用。与TMF载荷相比,在机械疲劳载荷条件下,Ag原子扩散不明显,Ag3Sn没有发生明显偏聚。四点弯曲实验后,在元件侧互连焊点界面区附近发生了局部再结晶,细小的再结晶晶粒取向各异,裂纹在局部再结晶区萌生及扩展。然而,和TMF条件下互连焊点的再结晶晶粒相比,机械疲劳条件下再结晶晶粒尺寸要小一些,这主要是因为位错在室温下不易发生攀移,不利于亚晶的合并与长大,导致再结晶晶粒的形成速率减小。在剪切条件下,互连焊点的再结晶倾向于在沿着剪切方向拉长的β-Sn基体中发生。对于多晶互连焊点,回复发生于大角度晶界处,而对于单晶互连焊点,回复多发生于钎料近界面区域。在拉伸实验过程中,在断裂区附近的再结晶晶粒尺寸较为均匀,大角度晶界显著增加。在远离断裂区,细小的亚晶常会镶嵌在初始的晶粒中,随着变形的继续,这些亚晶可以通过旋转而发展成再结晶晶粒。EBSD数据分析表明,与相邻原始基体晶粒间存在微小取向差的亚晶出现在再结晶晶粒周围,从基体晶粒到亚晶再到再结晶晶粒,取向差不断增加,这表明在钎料内部发生了连续再结晶,这主要是因为在室温机械应力作用下产生的亚晶也可以通过旋转演化为再结晶晶粒。而且,再结晶区和非再结晶区相比硬度下降,这使得无铅钎料互连焊点再结晶区相对于非再结晶区的局部变形变得更容易,因此,晶界滑移和裂纹主要在互连焊点的再结晶区发生,而非再结晶区没有受到严重影响。

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Contents

第1章 绪 论

1.1 论文的研究背景及意义

1.2 Sn基无铅钎料及互连焊点晶粒有限化及各向异性研究现状

1.3 Sn基无铅互连焊点可靠性研究现状

1.4 Sn基无铅钎料及互连焊点再结晶及损伤机制研究现状

1.5 Sn基无铅互连焊点可靠性ANSYS有限元分析研究现状

1.6 本文主要研究内容

第2章 材料及实验方法

2.1 实验材料的准备

2.2 实验方法

第3章 TMF条件下Sn基无铅互连焊点再结晶及弱化损伤机制

3.1 引言

3.2 Sn基无铅互连焊点TMF过程中再结晶机制研究

3.3 Sn基无铅互连焊点TMF过程中微观组织弱化机制研究

3.4 Sn基无铅互连焊点TMF后失效机制研究

3.5 本章小结

第4章 机械应力条件下Sn基无铅钎料及互连焊点再结晶及变形机制

4.1 引言

4.2 四点弯曲条件下互连焊点的晶体取向和微观组织变化研究

4.3 Sn基无铅钎料凸点及互连焊点剪切条件下再结晶机制研究

4.4 Sn基无铅钎料拉伸条件下晶体取向变化分析

4.5 本章小结

第5章 BGA互连焊点应力应变的有限元分析

5.1 引言

5.2 ANSYS子模型分析技术

5.3 TMF载荷下Sn基无铅互连焊点ANSYS有限元模型的建立

5.4 Sn基无铅互连焊点ANSYS有限元分析结果及其对比分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

致谢

个人简历