电子封装微互连焊点力学行为的尺寸效应

研究了微互连模拟焊点在不同直径(d=200—575μm)和长度(l=75—525μm)匹配条件下准静态微拉伸的力学行为.研究结果表明,焊点几何尺度因子d/l对焊点内的力学拘束及接头强度有重要影响;d/l增大时导致焊点中力学拘束和应力三轴度的提高,但接头强度并不完全符合Orowan近似公式的预测结果,保持l恒定而增加d时会出现强度变小的尺寸效应.研究结果还表明,无论无铅还是含铅钎料,其焊点拉仲强度与焊点体积(d^2l)之间的变化关系符合反比例函数,即σF-Joint=1/(Ad^2l)+B,焊点的强度随焊点体积的减小而显著增大,显示了焊点"越小越强"的"体积"尺寸效应.

无铅微互连焊点力学行为尺寸效应的试验及数值模拟

采用高精度微拉伸试验和有限元数值模拟方法研究不同微尺度的Sn-Ag-Cu无铅钎料模拟互连焊点力学行为和性能演变的尺寸效应。结果表明,当焊点高度恒定(225μm)而焊点直径逐渐减小(475～200μm)时,拉伸断裂强度显著提高且远高于体钎料的抗拉强度,断裂应变也逐渐增加;焊点的断裂位置及模式由较大直径时的界面低延性断裂转变为小直径时焊点中间部位的大变形颈缩断裂。模拟结果表明,由于焊点内力学拘束水平的不同,小直径焊点的界面应力较低且最大应力分布在焊点中间部分,易导致断裂发生在焊点中部,接头强度应较高;而大直径焊点中最大应力处于焊点界面,易导致界面金属间化合物层在较低外加应力下起裂,焊点断裂强度应较低。

电子封装无铅互连焊点的电迁移研究进展

随着电子封装逐渐向小型化和多功能化发展,互连焊点中的电迁移问题备受关注.本文针对电子封装无铅互连焊点中出现的电迁移问题,先探究了电迁移的影响因素,其中包括电流密度、温度、焊点的成分和微观结构.其次,阐述了电迁移对无铅焊点的力学性能、界面组织、振动疲劳性能和断裂机制的影响.然后针对电迁移问题,介绍了通过添加合金元素和控制电流密度两个方面来提高焊点的抗电迁移失效的能力.最后,简述了该领域的研究发展方向,为进一步研究电迁移对无铅互连焊点的可靠性提供了理论基础.

低银无铅微互连焊点的振动疲劳行为研究

通过采用一系列与集成电路BGA(球栅阵列)、Flip Chip(倒装焊芯片)真实焊点体积接近的不同尺寸的典型"三明治"结构Sn0.3Ag0.7Cu低银无铅微互连焊点,基于动态力学分析的精密振动疲劳试验与微焊点疲劳断口形貌观察相结合的方法,研究了微焊点振动疲劳变形曲线的形成机制、裂纹萌生扩展与断裂机理、温度对振动疲劳行为的影响及微焊点振动疲劳行为的尺寸效应问题。结果表明,保持焊点直径恒定,随着焊点高度的减小,焊点的疲劳寿命增加,而疲劳断裂应变降低,同时焊点的疲劳断裂模式由韧性断裂转变为脆性断裂。

基于晶粒取向的无铅互连焊点可靠性研究

对球栅阵列封装(ball grid array,BGA)组件进行热循环实验,通过EBSD对焊点取向进行表征,观察不同取向焊点内晶粒取向演化情况.同时采用Surface Evolver软件对BGA焊点进行三维形态模拟,并基于实际焊点内的晶粒构成,对热加载条件下BGA组件热应力应变分布进行计算.实验和模拟结果表明,晶粒取向对焊点可靠性和失效模式产生非常显著的影响.对于单个晶粒构成的焊点,应力应变主要集中在靠近界面的钎料内部,该处发生明显的再结晶并伴随着裂纹的萌生和扩展;而对于多个晶粒构成的焊点,应力应变分布则依赖于晶粒取向,再结晶和裂纹倾向于偏离界面沿原有晶界向钎料内部扩展.部分特殊取向焊点,当原有晶界与焊盘界面垂直时,不利于形变,表现出较高的可靠性.当晶界与焊盘夹角为45°时,在剪切应力和焊点各向异性的双重作用下,原有晶界处产生较大的应力应变集中,加速了裂纹的萌生和扩展,导致焊点最终沿着原有晶界发生再结晶和断裂,焊点发生早期失效的可能性增加.

BGA焊点互连的可靠性

与SOIC、PLCCs或QFPs相比,母板上BGA互连一般在每个设备上有更多焊点,因此出现故障的可能性也随之增大.加上对它检查、返工和维修都比较困难,所以确保成形阵列互连的一致性,以及它们的质量及集成度都很重要.阵列互连的可靠性主要有两方面,首先,阵列焊点互连较传统的外引线互连顺从性要低.顺从性低导致互连在疲劳环境里性能下降.这里的疲劳环境是由温度波动及内部电路开/关造成热应力导致的.另外,在板级装配中,表面安装阵列互连及其应用相对来说才刚刚起步,缺乏性能方面的统计数据。影响焊点长期可靠性的因素主要有以下6点。

微焊点中金属原子的热迁移及其对界面反应影响的研究进展

电子产品的日益发展要求更高的封装密度、更好的性能和更小的尺寸,使得电子器件所承载的功率密度显著升高,由此产生严重的焦耳热问题,导致作为主要散热通道的微互连焊点内将产生较高的温度梯度,这将诱发金属原子的热迁移,并引起严重的可靠性问题。对近年来有关Sn-Pb、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Sn-Bi和Sn-Zn等微互连焊点中金属原子的热迁移行为和关键问题进行综合分析,总结热迁移对微互连界面反应的影响,阐述金属原子热迁移的机理和驱动力,并归纳传递热Q*的计算方法及微互连焊点中主要金属元素的Q*值。最后,指出微互连焊点热迁移研究存在的主要问题,并对其未来研究发展趋势进行了展望。

多物理场下FCBGA焊点电迁移失效预测的数值模拟研究

随着微电子封装技术的快速发展,焊点的电迁移失效问题日益受到关注.基于有限元法并结合子模型技术对倒装芯片球栅阵列封装(flip chip ball grid array,FCBGA)进行电-热-结构多物理场耦合分析,详细介绍了封装模型的简化处理方法,重点分析了易失效关键焊点的电流密度分布、温度分布和应力分布,发现电子流入口处易产生电流拥挤效应,而整个焊点的温度梯度较小.基于综合考虑"电子风力"、温度梯度、应力梯度和原子密度梯度四种电迁移驱动机制的原子密度积分法,并结合空洞形成/扩散准则及失效判据,分析FCBGA焊点在不同网格密度下的电迁移空洞演化过程,发现原子密度积分算法稳定,不依赖网格密度.采用原子密度积分法模拟真实工况下FCBGA关键焊点电迁移空洞形成位置和失效寿命,重点研究了焊点材料和铜金属层结构对电迁移失效的影响.结果表明,电迁移失效寿命随激活能的增加呈指数级增加,因此Sn3.5Ag焊点的电迁移失效寿命约为63Sn37Pb的2.5倍,有效电荷数对电迁移寿命也有一定的影响;铜金属层结构的调整会改变电流的流向和焊点的应力分布,进而影响焊点的电迁移失效寿命.

多场载荷作用下FCBGA焊点的电迁移失效研究

基于有限元法,结合子模型技术对倒装芯片球栅阵列封装(FCBGA)进行电-热-结构耦合分析,获得关键焊点的电流密度分布、温度分布和应力分布,采用原子通量散度法(AFD)和原子密度积分法(ADI)对关键焊点的电迁移(EM)特性及影响因素进行研究。结合焊点电迁移失效的SEM图,发现综合考虑电子风力、应力梯度、温度梯度以及原子密度梯度四种电迁移驱动机制的原子密度积分法能比较准确地预测焊点的电迁移失效位置,原子密度梯度(化学势)通常会延缓电迁移现象。

极端温度条件下Sn基钎料焊点微观组织演变及失效机理的研究

电子设备是深空探测器的重要组成部分。焊点在电子设备中起着机械支撑、电气连接和信号通道的作用。大量研究和应用实例表明,互连焊点是电子系统中非常脆弱的部位之一, 电子系统的失效多由互连焊点的失效引起。其中,温度因可以改变焊点内应力和微观组织,是焊点失效非常重要的影响因素之一。在深空探测过程中,无热控措施的航天器电子产品要经历极端高低温的严酷环境,同时要承受多次较大范围的温度改变,导致焊点可靠性在该温度环境下遭受严重威胁。