锡银系无铅焊点在电子封装中的可靠性研究

摘要

传统的Sn-Pb焊料具有良好的润湿性和较低的熔点并且价格低廉，在电子工业界中得到了广泛的应用，并形成了一套成熟的工艺体系。但是，长期广泛地使用含铅焊料会给人类环境和安全带来严重危害。因此，随着欧盟RoHS指令法案和我国《电子信息产品污染防治管理办法》的实施，电子产品的无铅化进程已全面展开。尽管目前对无铅焊料合金、焊接和使用过程中焊点的界面反应的研究已经取得了较大的进展。但是无铅焊料与传统锡铅焊料体系相比，我们对焊点界面的演化行为仍然缺乏系统、深入的研究。与此同时，随着现代电子不断向密集化，小型化方面发展，对焊点在力学性能，电学性能以及热性能方面都提出了更高的要求。因此对新型高性能无铅焊料连接的可靠性的研究是电子工业的迫切需要。本文选取了目前应用比较普遍的锡银基无铅焊料作为研究对象，对其焊点的界面耦合效应进行了研究。此外，针对手机、笔记本等小型电子产品的实际使用情况，运用不同加载条件，对其焊点力学可靠性亦作了较为细致和全面的研究。希望能对新型无铅焊料的开发做出贡献。 基于Flip Chip和BGA器件焊点的结构，研究了Ni/Sn-3.5Ag-3.0Bi/Cu三明治结构焊点的液态界面反应。在Ni/Sn-3.5Ag-3.0Bi/Cu焊点中，Ni层与焊料的界面形成了(Cu,Ni)6Sn5 IMC，生长速率为3.80×10-10cm2/s；Cu层与焊料的界面形成了Cu6Sn5，生长速率为1.44×10-10cm2/St 240℃下液态焊点中Ni和Cu两界面间Cu，原子的浓度梯度导致在焊接过程中Cu原子自Cu层向Ni层一侧扩散，Cu原子在Sn-3.5Ag-3.0Bi焊点中的扩散系数大约为1.1×10-5cm2/s。定量研究了回流焊接过程中三明治焊点的界面耦合效应对界面IMC形成的影响。 弯曲试验是用来测试电子产品在使用过程中受到不可避免的弯曲加载时的焊点可靠性。弯曲试验一般可以分为两点弯曲、三点弯曲和四点弯曲。本文选择了两点弯曲和四点弯曲这两种形式对Sn-4.0Ag-0.5Cu焊点的弯曲可靠性进行测试。 两点弯曲试验中，试样采用了COB(Chip On Board)封装形式，使用了自行设计制造的两点弯曲试验机，通过凸轮尺寸的变化控制弯曲变形量。两点弯曲试验测得了焊点在3mm，4mm，5mm位移加载下的疲劳寿命，并与3D有限元模拟结果相结合，拟合得出了Sn-4.0Ag-0.5Cu焊点在COB封装形式下，以焊点电阻上升10％为失效标准的Coffin-Manson半经验方程。通过随后的失效分析可知，在两点弯曲中，裂纹萌生在器件终端与焊点的边角结合面上并向焊点内部扩展。四点弯曲试验采用了BGA(Ball Grid Array)封装形式和MTS四点弯曲测试机。按JEDEC标准设计了试验用PCB。实验获得了BGA焊点在频率为3Hz，弯曲振幅为2mm、2.5mm和3mm下的四点弯曲疲劳寿命结果。根据疲劳寿命测试得到了失效几率图，并得到了各个位移加载下的Weibull分布特征寿命和形状因子。在随后的失效分析中，采用了切面分析法和染色法。切面分析表明在四点弯曲循环加载条件下，焊点内部产生的疲劳裂纹是导致焊点失效的主要原因。裂纹萌生于器件与BGA焊球交界面的边角处，并在焊球内部扩展。通过染色法获得了BGA焊点陈列的失效分布图，表明BGA封装中边角处是焊点可靠性最差，最早出现失效的区域；焊点疲劳裂纹的扩展方向是由内而外的。 跌落试验用来测试电子产品使用过程中可能受到冲击时的焊点可靠性。实验中依然采用了BGA封装，并遵循JEDEC标准。跌落试验获得了试样在1500G，0.5ms冲击载荷下的失效几率。失效分析表明在冲击载荷下BGA封装中的3种失效模式，即器件端的焊球与焊盘界面间的脆性断裂、PCB端的焊球与焊盘界面间的脆性断裂、PCB焊盘底部裂纹。 最后，本文通过使用高速照相机，捕捉到了PCB在跌落过程中的形变过程。高速摄影结果给出了PCB在跌落过程中的弯曲振幅和弯曲频率。并通过高速摄影机得到的结果，对在跌落试验中易于出现金属间化合物(IMC)层脆性断裂的原因进行了研究分析。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题来源

1.2课题研究的目的和意义

1.3电子封装技术概述

1.3.1电子封装的定义和层次

1.3.2焊料在电子封装中的应用

1.3.3二级封装中的主要连接方式

1.4电子封装无铅化的研究背景

1.4.1传统锡铅焊料的优缺点

1.4.2无铅焊料的研究

1.4.3锡银系无铅焊料

1.5电子封装中的可靠性

1.5.1可靠性概述

1.5.2电子封装中的可靠性

1.5.3焊点失效模式

1.5.4焊点可靠性测试方法

1.5.5金属间化合物(IMC)对焊接可靠性的影响

1.6焊点失效分析

1.6.1失效分析的目的和方法

1.6.2 Coffin-Manson方程

1.6.3威布尔(Weibull)分布

1.6.4有限元模拟

1.7论文的主要研究内容

第二章三明治结构焊点在回流焊中的界面反应

2.1引言

2.2三明治结构焊点的制备

2.3实验结果与讨论

2.3.1 ENIG/Sn-3.5Ag-3.0Bi界面的IMC

2.3.2 Sn-3.5Ag-3.0Bi焊料/Cu界面的IMC

2.3.3界面扩散动力学分析

2.4三明治焊点界面反应中Cu原子的扩散

2.5本章小结

第三章Sn-4.0Ag-0.5Cu焊点的两点弯曲可靠性测试

3.1引言

3.2弯曲可靠性的实验研究

3.2.1两点弯曲实验设备

3.2.2测试样品的制备

3.2.3两点弯曲的实验过程

3.2.4实验结果

3.3有限元模拟研究

3.3.1焊点合金的应力应变关系

3.3.2模拟中的屈服条件与硬化条件

3.3.3三元有限元模拟步骤

3.3.4有限元模拟结果和讨论

3.3.5 Coffin-Manson方程

3.4本章小结

第四章Sn-4.0Ag-0.5Cu焊点的四点弯曲与跌落可靠性试验研究

4.1引言

4.2四点弯曲与跌落实验

4.2.1四点弯曲简介

4.2.2样品的制作

4.2.3四点弯曲测试和跌落实验

4.2.4四点弯曲与跌落测试结果

4.3四点弯曲与跌落实验结果分析

4.3.1弯曲幅度的比较

4.3.2弯曲模式比较

4.3.3弯曲频率比较

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文

作者在攻读硕士学位期间所作的项目

致谢