电子封装高温焊料研究新进展

随着先进封装和第三代半导体的快速发展,具有高熔化温度、耐持久温度考验的高温焊料逐渐成为学界追逐的热点,也成为推动电子产业无铅化和升级换代等“卡脖子”问题的瓶颈。本文综述了传统高温Sn-80Au和Pb-Sn焊料、IMC焊料、纳米及纳米-微米混合焊料,提出未来高温焊料在成分上必将以金、银、铜、铝等金属或石墨烯、碳纳米管等轻质、高导热、高熔化温度的碳基材料及其复合材料为主流;在微观尺度上,纳-微米混合焊料既具有纳米焊料的温度效应,又具有颗粒选择的灵活性,能在一定程度上解决纳米焊料的氧化、团聚及烧结时的相转变等问题;基于颗粒焊料的多尺度、颗粒种类选择的多维度,具有低温快速制备、高温长期服役的IMC高温焊料也具有极大的前途。加速高温焊料研发,突破低温封装、高温服役的技术瓶颈,必将极大推动先进封装和功率封装的快速发展。

不同焊料对Cu/W钎焊接头强度的影响

采用镍基焊料、铜基焊料、银基焊料、金基焊料对钨、铜进行真空钎焊实验,接头的剪切强度和扫描电镜分析表明,用银基焊料、金基焊料焊接钨、铜,焊缝扩散层薄,接头强度高,银基焊料中的活性元素钛对母材的浸润性好。

Sn95Sb5焊料与ENIG/ENEPIG镀层焊点界面可靠性研究

研究了Sn95Sb5焊料在化学镍金(ENIG)镀层、化学镍钯浸金(ENEPIG)镀层表面形成的焊点界面微观组织形貌与剪切强度。使用Sn95Sb5焊料在FR4印制板上焊接0805片式电容,焊点在高温时效测试和温度循环过程中均表现出较高的剪切强度,焊点界面连续且完整,剪切强度下降的最大幅度不超过19.2%。Sn95Sb5焊料在ENIG镀层表面形成的焊点(Sn95Sb5/ENIG焊点)强度更高。Sn95Sb5焊料在ENEPIG镀层表面形成的焊点(Sn95Sb5/ENEPIG焊点)界面反应更为复杂,在焊点界面附近可观察到条块状的(Pd,Ni,Au) Sn4。Sn95Sb5/ENEPIG焊点界面的金属间化合物层平均厚度约为Sn95Sb5/ENIG焊点界面的2倍。

Sn基活性焊料低温钎焊5A06 Al合金接头的组织及力学性能研究

在电子装联过程中,铝合金基板较差的可焊性限制了其与电子器件间的直接低温钎焊连接。本研究分别采用Sn1Ti0.3Ga活性合金焊料和Ni-10wt%Cu合金骨架强化的Sn1Ti0.3Ga复合焊料在260℃对5A06铝合金进行了低温活性钎焊,研究了焊料成分及钎焊时间对接头显微结构和力学性能的影响。结果表明,合金焊料与复合焊料均能实现Al合金的无钎剂连接;当使用合金焊料时,焊缝中出现了因Al合金表面氧化膜剥离而形成的层状夹杂物,并且合金焊料在Al母材中发生了晶间扩散的现象;当使用复合焊料时,焊缝中形成了絮状的Al_(3)(Ni,Cu)_(2)弥散相,合金骨架表面则形成了(Cu,Ni)_(6)Sn_(5)相,且随着钎焊时间的延长弥散相逐渐被(Cu,Ni)_(6)Sn_(5)相替代。剪切测试结果表明,相较于合金焊料,使用复合焊料可获得更高的接头强度,钎焊30 min时接头强度最高,达到了31.42 MPa。

聚氯乙烯火灾烟气环境中无铅焊料腐蚀动力学预测模型

采用质量损失法研究聚氯乙烯火灾烟气环境中283.15~323.15 K温度范围内无铅Sn-3.0Ag焊料的腐蚀动力学、表面微观结构和腐蚀机理。结果表明,随着温度从283.15 K升高到323.15 K,Sn-3.0Ag焊料的质量损失从(22.09±2.01)g/m^(2)增加到(44.66±1.20)g/m^(2)。此外,腐蚀动力学符合阿伦尼乌斯定律。Sn-3.0Ag焊料表面腐蚀产物呈叠加生长趋势。在283.15 K,Sn-3.0Ag焊料的表面出现大量的腐蚀产物。Sn-3.0Ag无铅焊料的腐蚀过程为电化学腐蚀,阴极发生析氢和吸氧反应,阳极发生富锡相的溶解。腐蚀产物为Sn_(21)Cl_(16)(OH)_(14)O_(6)、SnO_(2)和SnO。

Cu-Ti复合焊料钎焊Si_(3)N_(4)陶瓷/Cu的显微结构和力学性能研究

本研究采用Cu-Ti复合焊料在不同温度和保温时间钎焊了Si_(3)N_(4)/Cu接头,研究了不同钎焊参数对接头显微组织和力学性能的影响。实验结果表明,接头的相组成主要是TiN、Ti_(5)Si_(3)和Cu-Ti化合物。在较低温度(890℃)下,Ti_(5)Si_(3)率先生长,较少的Ti扩散到了Cu里生成Cu_(3)Ti;当延长保温时间或提升钎焊温度(920℃)时,TiN在界面处沉积成薄层,Cu_(3)Ti也转变成了CuTi,同时,Ti_(5)Si_(3)在Cu里也有一定的扩散;当钎焊温度过高(950℃)时,Ti和Si_(3)N_(4)的反应程度较大,Cu-Ti化合物作为反应的中间相被消耗,剥离强度随着温度的升高呈现先升高后下降的趋势。在920℃钎焊60 min的接头中,TiN逐渐剥离出薄层,进一步优化界面组织,接头剥离强度最高,达到16.69 N·mm^(-1)。

Sb对Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.6Ga无铅焊料合金性能的影响

用CXZG-1真空感应熔炼炉制备6组Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.6Ga-x Sb(x=0,0.2%,0.4%,0.6%,0.8%,1%,质量分数)焊料合金,通过差示扫描量热法、润湿铺展试验、抗拉强度测试、扫描电镜观察、EDS能谱分析及X射线衍射物相分析等研究了Sb添加对新型低银系Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.6Ga-x Sb焊料合金综合性能的影响。结果表明:Sb添加对焊料的熔化温度及熔程影响较小;Sb可改善焊料合金的润湿性能,当Sb的质量分数为0.8%时,焊料的铺展系数为71.01%;Sb可细化焊料合金中的金属间化合物提升焊料的塑性,当Sb的质量分数为0.8%时,金属间化合物由长条状转化为不规则块状,此时焊料合金的抗拉强度为49.13 MPa,仅比质量分数为1%时小0.08 MPa。得出,Sb在Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.6Ga-x Sb焊料合金中最佳的质量分数为0.8%。

添加不同含量Ga对新型SnInAg无铅焊料合金耐酸碱性的影响研究

为改进Sn-11In-1.5Ag无铅焊料合金焊料的耐蚀性,采用失重法和电化学实验研究了Sn-11In-1.5Ag-xGa(x=0,0.1,0.3,0.5,0.7,质量分数,%)焊料合金在腐蚀环境中的腐蚀行为。利用扫描电镜(SEM)观察Sn-11In-1.5Ag-xGa焊料合金的表面形貌,利用X射线衍射仪(XRD)对焊料表面的腐蚀产物进行表征。结果表明:无论是在酸性还是碱性溶液中,添加的Ga均能提高Sn-11In-1.5Ag焊料合金的耐蚀性。随Ga含量的增加,焊料的耐蚀性也随之增强。对于相同成分的焊料合金,其耐蚀性在碱性溶液中优于酸性溶液。SEM观察表明,在Sn-11In-1.5Ag合金中加入Ga可以明显减轻焊料的腐蚀程度。XRD分析表明,焊料合金在酸性和碱性溶液中的腐蚀产物均为In_(2)O_(3)。

Ga元素对低银系Sn-0.3Ag-0.7Cu焊料合金性能的影响

为改善SAC0307焊料合金的综合性能,在钎料中引入Ga元素。通过DSC、润湿铺展实验、拉伸试验、SEM、EDS以及XRD等手段探究不同质量分数Ga元素对Sn-0.3Ag-0.7Cu-xGa(x=0,0.2%,0.4%,0.6%,0.8%,1.0%)系焊料合金综合性能的影响。结果表明:Ga元素对低银系Sn-0.3Ag-0.7Cu-xGa焊料合金熔化温度以及熔程影响较小;Ga元素能够提高焊料合金的润湿性能,当Ga元素添加质量分数为0.6%时,焊料合金铺展率最大为67.55%,抗拉强度最大为40.18 MPa,这是由于焊料金属间化合物组织由长条状转化为不规则块状,细化程度最高;当Ga元素质量分数为0.8%时,增重比为0.21%,焊料合金的抗氧化性能最好,但只比质量分数为0.6%时少0.02%。因此根据焊料合金的综合性能确定Sn-0.3Ag-0.7Cu-xGa(x=0.6%)配方为最佳。

基于双分支Cauer模型的IGBT模块焊料层老化监测方法

以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的焊料层为研究对象,在传统Cauer模型的基础上,提出考虑芯片-铜端子热流支路的双分支Cauer模型,利用光纤温度传感器测量裸露在IGBT模块外部的铜端子温度和IGBT模块底板温度,以获取IGBT芯片结温,通过分析芯片结温、铜端子温度、底板温度的变化规律,准确定位焊料层老化位置,以区分芯片焊料层老化和底板焊料层老化,从而实现对不同焊料层的老化状态监测。

玻璃焊料封装FBG温度传感特性研究

针对传统胶粘剂封装的光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器长期使用出现的老化、蠕变等问题,提出了一种新的金属封装FBG传感器温度增敏结构和封装工艺。通过有限元分析方法对传感器进行应变不敏感设计,使用玻璃焊料代替传统环氧树脂胶粘剂将FBG与不锈钢基底进行两点式焊接固定,并使用金属外壳与硅橡胶进行密封保护。在-20~55℃温度变化范围内,所制作的FBG温度传感器温度灵敏度为27.46 pm/℃,线性拟合度均达到0.999,温度稳定性和可重复性良好,其在0~150℃的大温度范围内测量标准差小于0.003℃,也保持了良好的温度稳定性和重复性。该封装结构的传感器工艺简便、成本低、易于实现,其在结构健康监测领域具有广阔的应用前景。

焊料微结构演化相场模拟研究和试验验证

电子封装焊料复杂的微结构特征与其宏观强度、硬度、蠕变和疲劳等性能密不可分,这些特征决定了焊料在承受热-力复杂载荷时的服役性能。为了深入揭示焊料的高温蠕变疲劳机理,必须紧密结合其独特的多尺度微结构特征,对焊料内复杂微结构的演化进行深入研究。本文构建了考虑热-力耦合作用下SnPb焊料的相场模型,并通过微结构表征试验及图像处理技术提取了焊料内部真实的微结构分布,将其作为相场模型的初始构型来模拟不同工况下SnPb焊料内部微结构的演化行为,并揭示了焊料内部微结构演化机制。最终,基于相场法的模拟结果和试验表征技术描述了焊料内部微结构与温度之间的定量关系,为建立具有物理机理的热-力复杂载荷下SnPb焊料宏观有限元本构模型提供了理论支持。

湿度对功率半导体器件芯片焊料热阻的影响机理

近年来,湿度对功率器件热特性的影响成已为热点话题。然而,功率器件芯片焊料热阻受湿度的影响尚未被试验证实,且影响机理仍不明确。该文基于试验测试、算例、仿真模型,首次提出湿度对功率器件芯片焊料热阻的影响机理。结果表明,湿度能入侵器件,并在两方面影响器件结-散热器瞬态热阻抗:(1)芯片焊料;(2)器件壳表面接触热阻。进一步地,探究芯片焊料的热容、密度、热导率受湿度影响机理,并结合算例可知,若水汽含量占芯片焊料层内物质总量的0.1%,芯片焊料的热容、密度、热导率将变化为原来的101.9%、100.0135%、91.4%。已校准热特性的仿真模型表明,焊料层热容的增大会导致焊料层热阻下降(整体热阻不变),焊料层热导率的减小会导致整个器件热阻上升,两种情况共同作用,影响实际户外应用工况下功率器件的工作寿命。

考虑高海拔环境及焊料层缺陷的IGBT芯片温升与识别模型

针对焊接型IGBT模块缺少相应的高海拔地区的电热耦合模型,同时有关高海拔地区由于焊料层缺陷导致芯片失效的研究也少之又少。根据IGBT模块内部电场、热场的耦合作用关系,以焊接型IGBT为研究对象,建立芯片焊料层不同缺陷类型及缺陷比例的高海拔地区焊接型IGBT电热耦合模型,分析了海拔高度以及焊料层空洞、裂纹以及脱落缺陷对焊接型IGBT最大结温的影响,并从机理上做出相应解释,同时提出了高海拔地区焊接型IGBT焊料层缺陷识别模型。研究表明,不同的海拔高度对芯片温度的影响程度不同,高海拔地区芯片温升较低海拔地区明显;不同的缺陷类型、缺陷比例对芯片温度的影响程度也不同,当缺陷比例超过5%后,脱落对芯片温度的影响程度远大于裂纹缺陷和空洞缺陷,同时,所提缺陷识别模型能准确地获取芯片焊料层的缺陷类型和比例,对焊料层的健康状况进行评估。本文研究为高海拔地区焊接型IGBT焊料层健康状态检测,提高IGBT模块运行稳定性提供了理论指导。

Cu基电真空低银焊料的力学性能

在cu基础上加入合金元素并改变熔炼工艺,对所得焊料进行力学性能测试。结果表明,在cu-su系电真空低银焊料中适量加入Ag、Ce(稀土)、B,能有效提高合金的塑性;采用真空感应熔炼方法能使合金的塑性有进一步的改善。

共蒸发法制备金锡共晶焊料环及其性能研究

采用电子束共蒸发法制备了金锡共晶(Au80Sn20)焊料环,与非制冷红外探测器芯片进行气密性封装。通过SEM、AFM、X-ray、振荡测试以及测漏氦等方式验证了封装后芯片的气密性和可靠性。结果表明:键合后焊料环无明显缺陷,仅存在轻微溢料现象;经过振荡测试,溢料无脱落、无位移,且芯片密封性能可达到1×10^(-3) Pa/(cm^(3)·s),符合探测器的气密性要求。

Ge对Sn⁃58Bi焊料合金微观组织和性能的影响

Sn‐Bi焊料是一种低温无铅焊料,在低温焊接领域应用较为广泛,但其存在脆性大和延展性差的缺点。为此,制备不同Ge含量的Sn‐58Bi焊料合金,研究不同Ge添加量对Sn‐58Bi焊料合金的显微组织、熔化特性、润湿性和力学性能的影响。结果表明:添加Ge元素可以显著细化Sn‐58Bi焊料合金的共晶组织。当添加的Ge元素质量分数为0.005%~0.01%时,焊料合金的湿润性有明显提升;Ge的添加量从0增大到0.01%时,Sn‐58Bi合金的拉伸强度和断后伸长率均提升显著,但继续增加Ge的含量,合金拉伸强度和断后伸长率提升缓慢。Ge元素的添加对Sn‐58Bi焊料合金的熔点基本没有影响。

稀土Ce对高性能硅白铜焊料组织、析出和性能的影响规律研究

为研究Ce族稀土元素对高性能硅白铜焊料的凝固组织、固溶组织、时效析出行为和性能的影响规律。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和电子探针(EPMA)等设备,对添加不同Ce含量的Cu-Ni-Si焊料进行组织观察和性能测试。结果表明:Ce族稀土元素的添加显著细化了硅白铜焊料的凝固组织,焊料凝固组织晶粒尺寸由未添加前的200μm减小到添加后的40μm。添加Ce元素抑制了焊料的固溶再结晶进程,细化了再结晶晶粒尺寸,添加Ce前再结晶温度为900℃,添加Ce后提高至950℃,添加Ce前再结晶晶粒尺寸为180μm,添加Ce后缩小为90μm。Ce元素的添加可促进Ni、Si元素的析出和抑制过时效阶段析出相的长大,但不改变时效析出相的类型,时效析出相为圆盘状的δ-Ni2Si和棒状的β-Ni3Si。Cu-3.2Ni-0.75Si-0.06Ce硅白铜焊料焊料在450℃时效4 h后达到最佳性能,抗拉强度为747 MPa,剪切强度为454 MPa,相较于未添加Ce元素的Cu-3.2Ni-0.75Si焊料,抗拉强度提高了117 MPa,增幅为18.6%,剪切强度提高了91 MPa,增幅25%。

无铅焊料研究进展和若干前沿问题

评述了国外无铅焊料研究的现状和前景，比较了几种有潜力的无铅焊料的性能，指出了无铅焊料研究的几个前沿问题。

元素Co对Sn-0.7Cu无铅焊料合金组织、熔点、润湿性及可靠性能的影响研究

研究了添加适量的Co元素对Sn-0.7Cu无铅钎料合金性能的影响,应用Axio Scope A1显微镜、差示扫描量热仪、MUST system3型可焊性测试仪、高温试验箱、HITACHI 550i型扫描电镜对Sn-0.7Cu-xCo(x=0%、0.002%、0.004%、0.02%、0.03%)合金焊料进行金相观察,并对其熔点、可焊性及可靠性能进行了对比试验分析。结果表明,加入一定量Co元素,使Sn-0.7Cu熔点增高,润湿性能有所降低,但金相组织和可靠性均得到改善。