SAC305焊料的潤(rùn)濕性及熱應(yīng)力和電場(chǎng)下界面層的生長(zhǎng)規(guī)律.pdf

1、隨著全球電子技術(shù)飛速發(fā)展，微電子封裝已成為全球最大的產(chǎn)業(yè)之一。近幾十年，電子器件正逐漸向微型化、輕便化和智能化發(fā)展，其封裝技術(shù)也進(jìn)入了高密度、小間距時(shí)代。封裝后焊料合金與襯底材料形成的冶金連接為電子器件系統(tǒng)提供了必不可少的電氣、熱傳導(dǎo)和機(jī)械連接，因此焊料合金的焊接性能直接決定著焊點(diǎn)可靠性，甚至整個(gè)電子設(shè)備的服役壽命。其中，焊料合金與襯底材料之間良好的潤(rùn)濕行為及適度的界面金屬間化合物層是焊點(diǎn)可靠連接的必要保證。尤其隨著焊點(diǎn)尺寸的超微化進(jìn)程

2、，焊料合金與襯底材料之間的潤(rùn)濕性能及產(chǎn)品服役過(guò)程中的金屬間化合物層生長(zhǎng)對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響就顯得尤為重要。本文以Sn3Ag0.5Cu焊料合金為研究對(duì)象，研究了基板上不同鍍層元素以及回流溫度對(duì)焊料在基板上潤(rùn)濕性能的影響，并探討了不同熱應(yīng)力和電場(chǎng)條件下焊料與基板界面的金屬間化合物生長(zhǎng)規(guī)律。全文主要內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　通過(guò)在Cu基板表面電鍍Ni、Ag、Ni/Ag、Ni/Au層進(jìn)行潤(rùn)濕試驗(yàn)和微觀組織觀察，系統(tǒng)研究了鍍層元素以及回流溫度對(duì)S

3、n3Ag0.5Cu焊料潤(rùn)濕性能的影響。結(jié)果表明：
　　相同溫度下，Ag鍍層增強(qiáng)了焊料在 Cu基板表面的潤(rùn)濕性能。這是因?yàn)?Ag元素較快的擴(kuò)散速率加快了焊料與基板界面的金屬間化合物形核速率，另外扇貝狀金屬間化合物中的溝槽為基板元素?cái)U(kuò)散提供了便利通道，促進(jìn)了金屬間化合物的快速形成。Au元素向熔融焊料中的擴(kuò)散速率更快，AuSn4金屬間化合物的快速形成促進(jìn)了三相線的推移，因此，焊料在Au/Ni/Cu基板上的潤(rùn)濕性能最好。而Ni元素向 Sn

4、3Ag0.5Cu焊料中的擴(kuò)散速率較慢，且 Ni/Cu基板與焊料形成的(Ni, Cu)3Sn4金屬間化合物沒(méi)有溝槽狀便利通道，因此Ni鍍層降低了焊料在Cu基板上的潤(rùn)濕性能。另外，回流溫度升高，焊料的粘度與表面張力下降，基板元素的擴(kuò)散速率以及金屬間化合物形成速率不斷加快，促進(jìn)了三相線的推移，進(jìn)而提高了焊料在Cu基板上的潤(rùn)濕性能。
　　通過(guò)對(duì)回流之后的印刷電路板組件進(jìn)行等溫時(shí)效、熱循環(huán)與熱沖擊試驗(yàn)，以研究不同服役溫度下Sn3Ag0.5C

5、u焊料合金與Cu基板界面金屬間化合物的生長(zhǎng)規(guī)律。結(jié)果表明：等溫時(shí)效時(shí)，Cu3Sn的生長(zhǎng)速率高于 Cu6Sn5，這是由于時(shí)效過(guò)程中，Cu原子與 Cu6Sn5反應(yīng)，并在其界面形成 Cu3Sn，致使擴(kuò)散到焊料與 Cu6Sn5界面的Cu原子減少，抑制了 Cu6Sn5的生長(zhǎng)。而非等溫時(shí)效時(shí)，熱應(yīng)力使焊料發(fā)生重結(jié)晶，保證了Cu原子的充足供應(yīng)，因此Cu6Sn5的生長(zhǎng)速率比Cu3Sn快。另外，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用等效時(shí)間時(shí)，等溫和非等溫時(shí)效下的金屬間化合物

6、生長(zhǎng)規(guī)律都可以用冪律關(guān)系表示。
　　通過(guò)對(duì)回流之后的焊點(diǎn)加載電流，以研究電場(chǎng)作用下金屬間化合物的生長(zhǎng)規(guī)律。結(jié)果表明：高溫低電流密度下，金屬間化合物的形貌演變與等溫時(shí)效類(lèi)似，其厚度均逐漸增大且其形貌逐漸從扇貝狀轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鏍?。另外，由于低電流密度不足以引發(fā)電遷移現(xiàn)象的產(chǎn)生，因此陰極處的金屬間化合物不僅沒(méi)有觀察到因極性效應(yīng)引起的空洞，其厚度反而隨通電時(shí)間逐漸增加。整體而言，化學(xué)擴(kuò)散力和電子風(fēng)力共同作用促進(jìn)了金屬間化合物的生長(zhǎng)。因此，通電