电子封装无铅焊点互连界面的微尺度力学性能的研究

摘要

电子封装的无铅化使得无铅焊料成为目前主要的微电子互连材料，随着电子产品的微型化和多功能化，封装中微电子互连材料的尺寸越来越小（微米级），作为起到电学与力学连接作用的焊接点面临着诸多可靠性问题。因此，发展小尺度下具有高分辨率的力学测量方法，从细观角度来表征焊点材料的力学性能对于建立其相关力学性能数据库及工业生产设计有着重要的现实意义。
　　焊料与衬底金属间生成的界面金属化合物对焊点的可靠性产生了不可忽视的影响。本文通过对Sn-3.0Ag-0.5Cu（SAC305）无铅焊料和Cu基底焊接后形成的的SAC305焊料及焊接界面Cu6Sn5和Cu3Sn两种金属间化合物做了纳米压痕测试，分析了加载率及温度对焊料弹性模量、硬度、蠕变性能的影响；在实验数据的基础上利用代表性应变法获得了两种材料的幂本构关系，并在此基础上获得了材料的Johnson-cook本构方程。论文主要包括内容有：
　　1.介绍了试样的制备过程，采用扫描电镜（SEM）观查到界面化合物的存在，获得了它的形貌特征；通过能谱仪（EDS）对其线扫描的结果发现，该层材料为阶跃突变，而非逐渐过渡。通过点扫描确定了界面化合物为Cu3Sn和Cu6Sn5两种化合物。
　　2.采用纳米压入法对Sn-3.0Ag-0.5Cu（SAC305）无铅焊料及该焊料与铜基底焊接后的焊点互连界面材料进行了纳米压入测试，在不同加载率˙P/P（0.01s?1、0.05s?1、0.25s?1和0.50s?1）下测量了SAC305焊料及两种界面金属化合物的力学性能，分析了加载率对其硬度、弹性模量与屈服强度的影响。
　　通过对SAC305焊接后生成的四层材料的弹性模量及硬度值的比较，可知其生成的焊点互连界面层硬度及弹性模量值均高于SAC305焊料，硬度值与Cu基底又有明显的区别，进一步验证了金属间化合物的真实存在。SAC305焊料及两种界面化合物Cu6Sn5和Cu3Sn的硬度会随加载率提高而增大，表明这些材料都具有明显的应变率硬化效应。硬而脆的界面化合物的力学性能参数与无铅焊料的相对差值较大，因此在焊点互连界面层与焊料的交界处应变差值较大，焊点互连界面层必然是焊点内部破坏的关键部位。
　　3.温度对SAC305焊料及界面金属化合物的力学性能都有很大的影响。高温下焊料发生软化，两种材料试样的压入深度和蠕变位移均随着温度的升高有显著的增加，硬度和模量都呈现下降趋势。
　　4.利用Berkovich压头及Cube corner压头对SAC305焊料及界面金属化合物进行了纳米压入测试，基于测量的载荷深度数据，通过模型分析和数据处理，确定两组代表性应力和代表性应变，利用代表性应变法识别出材料的塑性参数，获得了不同温度下两种材料的幂函数本构关系。分析了弹性模量、强度系数、应变强化指数随温度的变化规律，以线性方程拟合它们与绝对温度的关系，给出了SAC305焊点及界面化合物两种材料25℃～150℃温度范围内的幂函数本构关系综合表达式。
　　5.在幂函数本构关系基础上，结合Johnson-cook本构关系模型，得到模型中材料与温度、应变、应变率相关的五个系数，给出了两种材料Johnson-cook本构关系表达式。
　　6.研究了25℃～150℃温度范围内SAC305焊料及界面化合物的蠕变性能，给出了蠕变速率敏感指数、蠕变激活能等参数。SAC305焊料随温度升高蠕变速率敏感指数从0.106上升到0.258，蠕变激活能55.3KJ/mol；界面化合物材料随温度升高蠕变速率敏感指数从0.064上升到0.154，蠕变激活能37.08KJ/mol。从蠕变激活能接近于β-Sn的自扩散激活能可知焊料中的Sn元素会不断向Cu基底扩散，从而界面化合物层在服役过程中不断增厚。焊料的蠕变机制由位错攀移逐渐转变为晶界滑移，界面化合物层的蠕变机制在此温度范围处于位错攀移为主导。

目录

符号说明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 电子封装概述

1.3 封装可靠性的研究进展

1.4 无铅焊点可靠性的研究进展

1.5 微纳米压入测试技术在材料力学性能测试中的应用

1.6 焊接材料本构关系的研究进展

1.7 焊接材料蠕变性能的研究进展

1.8 本文的主要工作内容

第二章 不同加载率下SAC305焊点界面化合物力学性能测试

2.1 引言

2.2 纳米压痕测试原理

2.3 实验样品制备

2.4 互连界面化合物的成份分析与确定

2.5 SAC305/Cu焊接所形成的四层材料压入结果与对比分析

2.6 不同加载率下焊点SAC305焊料的力学性能测试

2.7 不同加载率下焊点界面化合物的力学性能测试

2.8 本章小结

第三章 SAC305焊料及界面化合物的本构关系研究

3.1 引言

3.2 幂函数形式的塑性本构模型

3.3 代表性应变法

3.4 实验参数设定

3.5 SAC305焊料的幂函数本构关系研究

3.6 界面化合物与温度相关的本构关系

3.7 代表性应变理论值与修正值的幂函数本构关系对比

3.8 SAC305焊料及界面化合物的Johnson-Cook本构关系描述

3.9 本章小节

第四章 SAC305焊料与界面化合物的蠕变行为研究

4.1 纳米压痕测试蠕变理论

4.2 加载条件

4.3 不同加载率下SAC305焊料及界面化合物的蠕变行为研究

4.4 不同温度下SAC305焊料及界面化合物的蠕变行为研究

4.5 SAC305焊料与界面化合物的蠕变行为对比

4.6 本章小节

第五章 全文总结与工作展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文

博士学位论文独创性说明