钎焊界面气泡演变行为及对界面反应的影响

摘要

随着大规模集成电路不断向高密度、高集成度、小尺寸方向发展，如何提高产品合格率和焊接可靠性已是当代电子制造业发展的关键技术和核心科学问题。影响电子器件可靠性的因素有很多，其中孔洞被公认为是焊点失效最主要的原因之一。焊点中的孔洞主要是回流焊过程中助焊剂等挥发物产生的气泡滞留在熔融焊料中形成的。因此，对于提高电子器件的可靠性而言，深入了解焊点中孔洞的大小、形态、分布、形成机理和控制因素是非常重要和迫切的。这涉及到焊点中气泡的形成、长大、运动及随后的聚集、合并、排出等相关问题。
　　本文选用Sn-0.7Cu和Sn-3.5Ag无铅钎料为研究对象，利用同步辐射实时成像技术观测了钎焊界面气泡的演变行为。发现，钎焊固/液界面上的气泡对界面IMC的生长有很大影响，气泡通过影响原子扩散影响IMC生长行为，IMC生长也会影响气泡生长、合并、上浮等行为。主要结论如下:
　　(1)气泡在固液界面上异质形核比均质形核更容易，二种情况下形核临界半径均为:Rc=2σLG/3/pat+ρLgh。但是，对于气泡临界形核体积却有Vhe=Vhof(θ)。实验得到f(θ)的值介于0.5和1之间，气泡在界面上均质形核的临界气泡体积要比异质形核大1到2倍。使用同步辐射实时成像技术观察到气泡在界面上形核后，它的体积与钎焊温度成正比。气泡体积随温度的升高而增大。体积的增大使得相邻的气泡相互接触最终合并为一个大气泡。并且在表面张力的作用下，气泡形状最后成为半球形。
　　(2)钎焊界面IMC演化和界面气泡是相互影响的。实验结果显示位于气泡下方的铜界面高于其它位置。同时，位于气泡底端的IMC尺寸大于其他区域。气泡体积越大它的影响区域越大。对钎焊界面反应实时观察发现IMC的生长影响气泡形状的变化。当IMC厚度超过界面气泡中心处时，气泡形状从半球形变为椭圆形。当IMC溶解到气泡中心以下时，气泡恢复半球形。
　　(3)在热迁移条件下，同步辐射实时成像发现随着钎焊温度升高，热端和冷端IMC均开始生长，直到保温初期热端IMC开始逐渐溶解，在热迁移作用下溶解的铜从热端向冷端扩散导致两端的IMC出现明显的非对称生长。这种非对称生长使热端界面气泡发生迁移，气泡从热端垂直运动到冷端并且附着在冷端已经生长的IMC上。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 电子封装技术概述

1．1．1 电子封装简介

1．1．2 封装的工艺和技术

1．1．3 电子封装技术趋势和挑战

1．2 钎焊在电子封装中的作用

1．2．1 钎焊的功能和特点

1．2．2 钎焊技术的发展历程

1．2．3 钎料与基板间的反应

1．3 焊点中的孔洞研究现状

1．3．1 焊点中的孔洞与可靠性之间的关系

1．3．2 孔洞的研究进展及面临的问题

1．4 同步辐射实时成像技术的应用

1．5 论文选题及研究内容

2 实验样品制备与方法

2．1 实验材料制备

2．2 实验方法

2．2．1 同步辐射实时成像实验

2．2．2 钎焊实验

2．3 试样测试与分析

3 实时成像研究Cu／Sn3.5Ag／Cu焊点中界面气泡演变行为

3．1 气泡在界面上形核理论分析

3．2 同步辐射实时观测相邻多气泡生长与合并行为

3．3 实时成像观测热迁移过程中IMC非对称生长对气泡行为的影响

3．3．1 实时成像观测热迁移过程中IMC非对称生长现象

3．5 本章小结

4 钎焊过程界面气泡对界面反应的影响

4．1 钎焊界面IMC生长与气泡形状变化间的关系

4．2 界面气泡对IMC生长的影响

4．2．1 界面气泡对铜基板溶解行为的影响

4．2．2 界面气泡对周围IMC顶端形貌的影响

4．3 界面气泡尺寸与IMC影响区域分析

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢