微电子组装焊点可靠性及其铅污染问题的研究

摘要

随着电子工业的飞速发展，电子器件的集成度越来越高。高性能、大功率、小型化的电子产品在市场中的需求越来越大，功率更大尺寸更小的平面阵列封装使元件单位面积的发热量急剧增大，组装焊点在高温情况下服役的可靠性面临更加严峻的考验。同时随着环保意识的深入，电子工业的无铅化已是大势所趋，在这个从有铅向无铅化转变的过渡时期，无铅焊料的铅污染也给电子封装技术带来了新问题。 本文采用MARC有限元分析软件，根据实际塑封球栅阵列器件组装体系的形状、尺寸建立三维有限元模型，采用非线性分析的蠕变分析子程序定义焊点材料的特性，模拟温度循环下组装焊点阵列的蠕变应变分布、等效应力和局部变形情况，结合应力和变形等因素分析了造成蠕变分布集中的原因，根据器件实际情况提出改进蠕变应变集中的优化方案；比较了Sn-3.8Ag-0.7Cu 和 63Sn-37Pb两种焊点在在温度循环中产生的蠕变应变，计算了两种焊点的剪切蠕变应变和剪切应力，结合寿命预测公式预测了两种钎料形成焊点的低周疲劳寿命，评价了两种焊点在温度循环下表现的可靠性。三维模型的建立和材料非线性的定义提高了分析的准确性。本研究对元器件的设计和材料选取有指导意义。 采用高频感应加热的方式熔炼钎料，在Sn-3.8Ag-0.7Cu 无铅焊料加入不同量的63Sn-37Pb焊料，熔炼成被Pb污染的无铅焊料合金，测定了不同污染程度的焊料合金的熔点变化，得到了铅污染对无铅焊料熔点的影响规律。使用程控表面贴装焊机制备了铅污染无铅焊点，并在不同温度下对其进行时效，测定了焊点组织的显微硬度，比较了铅污染焊点硬度值、显微组织及界面的变化，得到了铅污染对无铅焊点的硬度和组织的影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题背景

1.2微电子封装技术的发展

1.2.1集成电路的发展

1.2.2微电子封装技术

1.2.3表面组装技术

1.2.4球栅阵列连接

1.3电子组装焊点可靠性的研究现状

1.3.1焊点可靠性问题的提出

1.3.2焊点可靠性的研究现状

1.3.3焊点可靠性的评价方法

1.4无铅焊料铅污染问题的研究现状

1.4.1表面贴装焊点的无铅化

1.4.2无铅焊点铅污染问题的产生

1.4.3无铅焊点铅污染问题的研究现状

1.5本文主要研究内容

第2章本文的理论基础

2.1材料性能的理论基础

2.1.1材料线性的分析理论

2.1.2材料非线性的分析理论

2.1.3屈服准则

2.1.4蠕变模型

2.2焊点的寿命预测模型

2.2.1以应变为基础的寿命预测模型

2.2.2以能量为基础的寿命预测模型

2.3有限单元法和MARC有限元软件

2.3.1有限元法

2.3.2 MSC.Marc/Mentat有限元软件

2.4本文建模基本假设

2.5本章小结

第3章组装焊点蠕变应变的有限元分析

3.1建立有限元网格

3.1.1 PBGA组装体系构成及几何模型

3.1.2划分有限元网格

3.2定义边界条件

3.3定义材料特性

3.4定义载荷工况

3.5结果分析

3.5.1蠕变应变分布情况

3.5.2蠕变应变分布原因的分析

3.5.3降低蠕变应变对焊点可靠性影响的方案

3.5.4两种焊点可靠性的比较

3.6本章小结

第4章铅污染对无铅焊点的性能影响

4.1试验材料

4.2试验方法及设备

4.2.1熔炼焊料

4.2.2熔点测试

4.2.3制备焊点

4.2.4时效处理

4.2.5制备待测焊点试样

4.2.6观察微观组织

4.2.7测试显微硬度

4.3试验结果

4.3.1铅污染对焊料合金熔点的影响

4.3.2铅污染对焊点显微硬度的影响

4.3.3铅污染对焊点组织的影响

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢