纳米压痕法分析无铅焊点内界面金属化合物的力学性能

根据实际工艺流程和服役工况制备了微电子封装中3种无铅焊点(Sn3.0Ag0.5Cu、Sn0.7Cu和Sn3.5Ag)内界面金属化合物(IMC)的试样;利用扫描电镜(SEM)和能量色散X射线荧光光谱仪(EDX)对所制IMC的形貌和化学成分进行了分析;另外,借助纳米压痕仪,采用连续刚度测量(CSM)技术在不同的加载速率下对所制IMC的弹性模量和硬度进行了测量。结果表明,3种无铅焊点内的IMC均为Cu6Sn5,其弹性模量分别为98.93±3.37,113.55±4.58和(102.16±3.11)GPa,硬度分别为5.18±0.14,5.78±0.11和(5.55±0.19)GPa。

铁中硅元素对铝/铁复合板界面金属间化合物生长的影响

使用SEM,EBSD研究(480~640)℃1h退火后,铁中添加不同的硅含量(u(Si)=0.82%,1.48%,3.26%)对铝/铁复合板界面金属间化合物生长的影响。结果表明:(480~640)℃1 h退火后,未添加硅的铝/铁复合板在界面处均生成连续金属间化合物,随着退火温度升高,金属间化合物厚度增大,当退火温度超过620℃时,界面金属间化合物形貌由较为平直转变为舌状突起;640℃1 h退火后,界面金属间化合物厚度随铁中硅元素含量的增加呈指数型减小,未添加硅的铝/铁复合板界面金属间化合物厚度在35 μm以上,而铁中添加ω(Si)=3.26%的铝/铁复合板界面金属间化合物厚度为20 um左右;铝/铁复合板界面金属间化合物主要为Fe_(2)Al_(5),少量的Fe_(4)Al_(13)分布在靠近铝侧和分散在Fe_(2)Al_(5)中;铁中添加ω(Si)=1.48%时,界面金属间化合物同样包括Fe_(2)Al_(5)及少量的Fe4Al13,其分布与不加硅的铝/铁复合板的类似,只是其界面还生成了含硅的Fe_(3)Al_(2)Si_(3)和FeAl_(2)Si相,他们弥散分布于靠近铁侧的Fe_(2)Al_(5)中。

进口AuSn20焊料环特性及焊缝化合物分析

AuSn20焊料环是高可靠密封工艺中一种常用的密封材料,采用差示扫描量热法对进口AuSn20焊料环进行熔化和凝固温度的检测,探明其熔化温度为280℃,凝固温度为277℃,AuSn20焊料环纯度很高几乎无杂质。通过对进口和国产AuSn20焊料环的表面状态形貌进行对比,发现均为AuSn和Au5Sn的均匀分布状态,未见明显区别。采用进口AuSn20焊料密封电路,通过研磨、抛光等步骤,制备了焊缝区域截面,并观察了截面微观形貌,通过能谱分析探测了截面上的元素成分,结合金锡二元相图,确定共晶反应后焊缝区域化合物以AuSn和Au5Sn为主,同时观察到管壳、盖板与焊料环界面上形成了(Ni,Au)3Sn2,并进一步推演了AuSn20焊料密封反应过程。

微焊点Cu/SAC305/Cu固-液界面反应及电迁移行为

研究了电迁移过程中Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu微焊点界面金属间化合物(IMC)的生长演变机制,分析了电载荷作用下固-液电迁移与固-固电迁移的区别.结果表明,固-液电迁移过程中,随着加载时间的延长,两极IMC层厚度均增厚,且阳极IMC层厚度增长速率比阴极大;阴极侧IMC晶粒径向尺寸一直增大,轴向尺寸呈先增大后减小的变化规律,阳极侧IMC晶粒的尺寸在轴向与径向均增大;加载过程中,阳极IMC晶粒尺寸始终大于阴极;与固-固电迁移相比,固-液电迁移后,阴极侧,焊点IMC形貌更规则,且表面光滑度提高;阳极侧,固-固扩散时界面IMC晶粒形貌为多边形球状,而固-液扩散时界面IMC形貌为多边形柱状.

时效对Sn-0.7Cu-0.05Ni-xSm/Cu焊点界面与抗剪强度的影响

以Sn-0.7Cu-0.05Ni-xSm/Cu焊点为对象(元素Sm含量分别为0,0.025,0.05,0.1和0.2(质量分数,%)),研究焊后与经过160℃,24,96和360h时效后,焊点界面金属间化合物(IMC)与抗剪强度的变化.结果表明,在钎料中未添加稀土元素Sm时,IMC层凹凸不平;加入微量元素Sm,IMC层变的平坦顺滑.时效会使IMC不断长大,其界面形貌由原始的扇贝状向平直均匀的层状转变.元素Sm含量在0.025%~0.1%范围内时,不论时效前还是时效后,IMC层较薄.元素Sm对界面IMC的生长有抑制作用,有益于提高焊点的可靠性.加入微量稀土元素Sm以后,焊点抗剪强度发生了变化.不论时效前还是时效后,当元素Sm含量为0.025%时,焊点抗剪强度都是最高.

Au-Sn焊点异质界面的耦合反应及其对力学性能的影响

为了探讨Au-Sn异质焊点耦合界面反应对界面IMC层生长行为及焊点力学性能的影响,采用回流焊技术制备Ni/AuSn/Ni和Cu/AuSn/Ni三明治结构焊点,通过扫描电子显微镜(SEM)与能谱分析(EDS)研究焊点在钎焊与老化退火中的组织演变。研究结果表明:在钎焊中Ni-Ni焊点的Au Sn/Ni界面形成(Ni,Au)_3Sn_2金属间化合物(IMC)层,而Cu-Ni焊点的AuSn/Ni界面形成(Ni,Au,Cu)_3Sn_2四元IMC层,表明钎焊过程中上界面的Cu原子穿过Au Sn焊料到达Ni界面参与耦合反应。在老化退火中,界面IMC层的厚度l随退火时间t延长而逐渐增大,其生长规律符合扩散控制机制的关系式:l=k(t/t_0)~n。在160℃和200℃退火时,(Ni,Au)_3Sn_2层的生长以晶界扩散和体积扩散为主。由于Cu原子的耦合作用,(Ni,Au,Cu)_3Sn_2层的生长以反应扩散为主。Cu-Ni异质界面焊点中,Cu的耦合作用抑制了Au Sn/Ni界面(Ni,Au,Cu)_3Sn_2IMC层的生长,减缓了焊点剪切强度的下降速度,有利于提高焊点的可靠性。

La对Sn3.5Ag0.5Cu钎料界面组织和性能的影响

通过SEM和EDAX等,研究了La添加量对Sn3.5Ag0.5Cu钎料与Cu基体焊合界面IMC微观组织及性能的影响。结果表明:添加不同量的La均对Sn3.5Ag0.5Cu与Cu基体焊合后的组织有细化作用并增强其力学性能。其中以w(La)达到0.05%时最优,剪切强度可提高10.7%。材料热力学理论计算结果表明,La具有"亲Sn"倾向,添加少量La到Sn3.5Ag0.5Cu钎料中,可减小Cu6Sn5/Cu界面Sn的活度,降低IMC的长大驱动力。

微连接Cu/SAC305/Cu界面元素扩散与几何尺寸效应

通过对不同钎料层厚度（15～50μm）的Cu／SAC305／Cu三明治结构焊缝进行高温时效处理，研究在高温时效过程中钎料层厚度对IMC生长行为的影响．结果表明，钎料层厚度对高温时效过程中的界面元素同态扩散的影响显著．钎料层厚度越小，在时效过程中界面处越有利于Cu6Sn5的生长，160℃时效相同时间后Cu6sn5层与cu，sn层的厚度比越小；时效过程中IMC层（Cu6Sn5层＋Cu3Sn层）的叶。长速率随着针料层厚度的减小也呈现减小的趋势；扩散系数受钎料层尺寸的影响，扩敞系数与钎料屡厚度之间近似满足抛物线关系．

Sn0.7Cu-xEr/Cu焊点界面反应及其化合物层生长行为研究

通过回流焊工艺制备了Sn0.7Cu-x Er/Cu(x=0,0.1,0.5)钎焊接头,研究钎焊温度及等温时效时间对接头的界面金属间化合物(IMC)的形成与生长行为的影响。结果表明:Sn0.7Cu钎料中微量稀土Er元素的添加,能有效抑制钎焊及时效过程中界面IMC的形成与生长。在等温时效处理过程中,随着时效时间的延长,界面反应IMC层不断增厚,在相同时效处理条件下,Sn0.7Cu0.5Er/Cu焊点界面IMC层的厚度略小于Sn0.7Cu0.1Er/Cu焊点界面的厚度。通过线性拟合方法,得到Sn0.7Cu0.1Er/Cu和Sn0.7Cu0.5Er/Cu焊点界面IMC层的生长速率常数分别为3.03×10–17 m2/s和2.67×10–17 m2/s。

Ni-GNSs增强Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu钎焊接头电迁移特性研究

针对微焊点服役下的电迁移可靠性检测,设计制造了满足焊点在理想电迁移环境下的试验装置。结果表明:通过热分解法制备Ni-GNSs增强相,得到的Ni-GNSs增强Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu钎焊接头能有效抑制电迁移现象的发生。在电加载条件下,随电流密度升高,Ni-GNSs增强Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu接头阳极区界面金属间化合物(IMC)由起伏扇贝状转变为平坦厚大的板状,并出现了明显Cu 3Sn;阴极区界面IMC由锯齿状转变为薄条状,且有明显空洞裂纹。钎焊接头断裂位置从阴极界面IMC/钎缝的过渡区向阴极界面IMC迁移,断裂方式由韧性断裂向脆性断裂转变,剪切强度明显下降。

纳米Ag颗粒对Sn-58Bi无铅钎料组织及焊点可靠性的影响

研究了纳米Ag颗粒对Sn-58Bi钎料焊点微观组织、界面金属间化合物、铺展性能以及力学性能的影响。结果表明:添加Ag颗粒可以细化焊点组织,复合钎料的组织随Ag颗粒含量的增加呈先细化后粗化的趋势;Ag颗粒的添加使界面金属间化合物的厚度增大,复合钎料的界面金属间化合物的厚度随Ag颗粒含量的增加而增加;Ag颗粒的添加可以改善钎料的铺展性能,复合钎料的铺展性能随Ag颗粒含量的增加呈先增大后减小的趋势;适量Ag颗粒的添加可以改善焊点的拉伸性能,随着Ag颗粒含量的增加复合钎料焊点的拉伸性能呈先上升后下降的趋势;Ag的最佳添加量0.5%(质量分数)。

添加镍的Sn-Cu系无铅焊料(1)

概述了添加Ni的Sn-Cu系无铅焊料和Sn-Cu无铅焊料与基板的接合界面上形成的Cu6Sn5金属间化合物中龟裂的抑制。

金合金导电环用低脆性钎料研究

采用共晶SnPb钎料和自制InPbAg钎料对导电环中的金合金片与镀银铜导线进行钎焊连接,对两种钎焊接头显微组织、化合物成分、硬度及力学性能进行对比分析,探讨自制InPbAg钎料对接头脆性的影响。结果表明:SnPb钎料/金合金界面产生层状分布的IMC层,主要成分为AuSn_2、AuSn_4、Ag_3Sn等脆性金属间化合物;InPbAg钎料/金合金界面IMC层很薄,主要成分为AuIn_2、Ag_2In化合物相,其硬度均低于SnPb接头界面IMC层硬度,说明InPbAg接头界面金属间化合物脆性相对较低。力学性能分析显示,InPbAg接头力学性能稳定性相对较高,SnPb接头为脆性断裂,InPbAg接头为塑性断裂。

Ni-GNSs增强Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE复合钎料/Cu钎焊接头热迁移组织与性能

针对微焊点服役过程中由大温度梯度导致的热迁移问题,设计了一种热迁移试验装置,研究了复合钎料/Cu钎焊接头热迁移过程中的组织演变与力学性能。研究结果表明:设计的试验装置可满足单一热迁移试验条件。与未热加载时相比,Ni-GNSs增强Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE复合钎料/Cu钎焊接头热迁移200 h后,接头热端Cu;Sn;界面金属间化合物(IMC)大幅减薄并在界面出现微孔洞;冷端界面粗大扇贝状IMC厚度明显增加,冷端Cu/Cu;Sn;界面间生成平均厚度1μm的层状IMC Cu;Sn;。热加载200 h后,钎焊接头剪切强度降低33%。复合钎料钎焊接头断裂位置由热端界面IMC/钎缝的过渡区向界面IMC方向迁移;随热加载时间增加其断裂机制由韧性断裂向先转变为以韧性断裂为主的韧-脆混合断裂,再转变为以脆性断裂为主的韧-脆混合断裂。Ni-GNSs增强相的添加可抑制复合钎料/Cu钎焊接头的热迁移。

热冲击下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu钎焊接头组织与性能

借助于SEM、EDS、XRD等检测手段对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu钎焊接头进行观察分析,研究了钎焊工艺参数及热冲击条件对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE0.05Ni/Cu钎焊接头界面金属间化合物和力学性能的影响。结果表明:添加0.05%(质量分数)Ni能细化Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎料合金的初生β-Sn相和共晶组织;钎焊温度270℃和钎焊时间240 s时,钎焊接头抗剪切强度最大达26.9 MPa,较未添加Ni的钎焊接头提高8.9%;随着热冲击周期的增加,钎焊接头界面金属间化合物层平均厚度增加,界面粗糙度先增大后减小,钎焊接头强度降低;添加0.05%Ni能够抑制接头界面金属间化合物的成长、钎焊接头强度的降低,有利于改善接头可靠性。

3D封装用Cu/Sn/Cu焊点的组织与剪切性能研究

研究了250℃温度,不同键合时间对Cu/Sn/Cu焊点的界面金属间化合物(intermetallic compound,IMC)生长行为及剪切性能的影响。结果表明:键合时间由30 min增加到120 min,Cu/Sn/Cu焊点界面IMC的厚度逐渐变厚。当键合时间为30 min时,焊点界面IMC厚度为12.8μm。随着时间增加到120 min,焊点中的液相Sn消耗殆尽,形成了全IMC。在Cu/Sn/Cu焊点中,发现焊点两端界面IMC呈现非对称生长。键合时间为30 min时,焊点界面Cu3Sn的厚度分别为1.73μm(冷端)和0.95μm(热端),冷端IMC的增长速率明显高于热端,主要原因归结于温度梯度。通过对焊点界面IMC进行电子背散射衍射(EBSD)分析,发现存在的大块晶粒组织为Cu6Sn5,而Cu3Sn的晶粒相对较小。根据横截面方向(transverse direction,TD)反极图显示,Cu6Sn5的晶粒取向多平行于[001]与[111]之间。此外,随着键合时间的增加,焊点的剪切强度不断增加,当键合时间为120 min时,焊点的剪切强度由8.5 MPa增加到18.6 MPa,焊点的断裂模式由初始的混合断裂逐渐转变为脆性断裂。