球柵陣列焊點(diǎn)與Cu基板界面在熱-電-振動(dòng)載荷下的失效機(jī)理.pdf

1、隨著汽車電子裝置和其它消費(fèi)類電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展,電子器件正逐漸向高層次集成、高性能和多功能方向發(fā)展,其封裝技術(shù)也進(jìn)入了高密度、小間距時(shí)代。電子封裝的功能是對(duì)微電子芯片進(jìn)行保護(hù),提供能源和進(jìn)行冷卻,并且將微電子部件和外部進(jìn)行電氣和機(jī)械連接。其中焊料合金與基板間形成的金屬化合物層是焊點(diǎn)可靠性連接的必要保證。但由于該金屬間化合物很脆且與基板和焊料之間熱膨脹系數(shù)不匹配,所以很容易在應(yīng)力載荷下失效。電子器件在實(shí)際服役過(guò)程中,承受著環(huán)境的多種載荷。

2、如航空電子設(shè)備、汽車電子控制器件和軍用設(shè)備等經(jīng)常在殘酷的環(huán)境中服役,承受著高溫沖擊、機(jī)械振動(dòng)、電流載荷以及各種載荷的交合作用。因此本文研究了熱沖擊、機(jī)械振動(dòng)和高密度電流載荷對(duì)焊點(diǎn)金屬間化合物(IMC)生長(zhǎng)及失效的影響,并采用ANSYS有限元軟件模擬分析了熱載荷、電流載荷和機(jī)械振動(dòng)載荷作用下球柵陣列焊點(diǎn)的溫度場(chǎng)及應(yīng)力應(yīng)變。具體研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:
　　通過(guò)對(duì)回流焊后器件進(jìn)行熱沖擊實(shí)驗(yàn)和有限元分析,研究熱沖擊載荷條件下Sn3.0Ag0

3、.5Cu焊料與Cu基板界面處裂紋形成機(jī)理。實(shí)驗(yàn)表明:由于焊點(diǎn)中各相之間存在熱膨脹系數(shù)差,導(dǎo)致焊點(diǎn)在熱沖擊過(guò)程中承受著剪切和拉伸應(yīng)力。隨著器件周期性連續(xù)的變形,在焊球與Cu界面處出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中,并在熱沖擊300小時(shí)后出現(xiàn)裂紋。裂紋出現(xiàn)初始階段,大部分裂紋產(chǎn)生于焊料基體,并在焊料基體中緩慢擴(kuò)展。隨著熱沖擊時(shí)間的增加,在焊料與IMC界面處的裂紋數(shù)量逐漸增加,并沿著焊料和IMC界面擴(kuò)展。焊點(diǎn)在承受長(zhǎng)時(shí)間熱沖擊后在IMC和Cu界面處出現(xiàn)嚴(yán)重的

4、應(yīng)力集中,此時(shí)裂紋直接穿過(guò)IMC晶粒平行于界面擴(kuò)展。熱沖擊載荷促使扇貝狀的Cu6Sn5相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鏍畹腃u6Sn5/Cu3Sn相,導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展阻力降低;另外焊料晶粒尺寸也逐漸減小,促進(jìn)了原子的晶間擴(kuò)散,從而促使了IMC的增長(zhǎng)和界面的平整化。
　　通過(guò)改變回流加熱因子獲得不同厚度IMC層的焊點(diǎn),然后對(duì)FCBGA器件進(jìn)行正弦振動(dòng)疲勞試驗(yàn),研究Sn3.0Ag0.5Cu/Cu界面金屬間化合物厚度及形貌對(duì)BGA無(wú)鉛焊點(diǎn)振動(dòng)可靠性的影響,

5、分析裂紋形成、擴(kuò)展機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:加熱因子對(duì)IMC的增長(zhǎng)影響很大,隨著加熱因子的增加,IMC成倍增厚。隨著IMC的厚度逐漸增加,振動(dòng)疲勞壽命先逐漸增加后快速下降,當(dāng)IMC厚度在1.5μm左右振動(dòng)疲勞壽命達(dá)到最大值。振動(dòng)失效裂紋主要起源于焊球瓶頸位置的焊料內(nèi)或氣孔附近。當(dāng)IMC厚度小于1-2μm時(shí),振動(dòng)失效裂紋起源于焊點(diǎn)瓶頸位置焊料內(nèi)部,平行于Cu界面在焊料界面擴(kuò)展,斷裂界面比較平坦,界面有韌窩存在;當(dāng) IMC厚度在2-3μm時(shí),裂紋

6、沿著Cu6Sn5層與焊料界面水平擴(kuò)展,斷口可以明顯的看到細(xì)小的Cu6Sn5晶粒;當(dāng)IMC厚度大于3μm左右,較突出的扇貝狀Cu6Sn5層首先斷裂,然后沿著焊料與Cu6Sn5相界面水平擴(kuò)展,呈粗糙的解理斷面;當(dāng)IMC大于4μm甚至更厚時(shí),焊點(diǎn)斷裂機(jī)制為完全解理斷裂,斷裂表面很平坦。
　　通過(guò)模擬獲得不同密度電流載荷下焊點(diǎn)的溫度場(chǎng)和最大等效應(yīng)力,得到了不同密度電流載荷下的焊點(diǎn)振動(dòng)疲勞S-N曲線,分析電流載荷和由電流載荷引起的溫度對(duì)焊點(diǎn)

7、振動(dòng)失效的影響,并得到了以下結(jié)論:在振動(dòng)載荷下,FCBGA板級(jí)組件在垂直于板面方向上呈的彎曲變形,導(dǎo)致BGA焊點(diǎn)承受周期性的應(yīng)力,焊點(diǎn)與芯片連接位置附近等效應(yīng)力最大。結(jié)合諧響應(yīng)分析獲得的最大等效應(yīng)力值和高密度電流載荷下的振動(dòng)疲勞壽命值,擬合了焊點(diǎn)在不同密度電流載荷下的振動(dòng)疲勞S-N曲線。由該 S-N曲線可以看出電流對(duì)焊點(diǎn)振動(dòng)失效的影響幾乎呈線性關(guān)系,隨著電流密度的增大,焊點(diǎn)振動(dòng)疲勞壽命急劇下降。加載3A電流載荷下,焊料與Cu接觸的拐角區(qū)

8、域出現(xiàn)電流擁擠效應(yīng)(電流密度接近1.0×104A/cm2),溫度急劇升高達(dá)到110.34℃;加載15A電流載荷下,焊料與Cu接觸的拐角區(qū)域電流密度接近3.2×104A/cm2,最高溫度約為209.68℃。在未通電情況下,振動(dòng)失效裂紋主要是在芯片端焊料瓶頸位置起源,然后向Cu6Sn5層內(nèi)擴(kuò)展,最后水平切開Cu6Sn5層至焊點(diǎn)完全斷裂;當(dāng)通電電流為3A時(shí),裂紋起源位置偏向于應(yīng)力集中的瓶頸處IMC層附近,然后沿著IMC界面完全剝離或在焊料內(nèi)呈