银含量对快速热冲击下Sn−xAg−0.5Cu焊点显微组织和力学性能的影响

使用高频感应加热设备研究Ag含量对快速热冲击下Sn−xAg−0.5Cu焊点的显微组织和剪切强度的影响。结果表明,Ag含量的增加使焊点表面更致密光滑,减少焊点内部长条状Cu6Sn5金属间化合物(IMC)的产生,从而提高焊点的抗氧化性。Ag能够加快焊点界面IMC层的生长速度,Cu6Sn5层的生长速度由体扩散和晶界扩散共同决定,Cu3Sn层的生长速度由体扩散和界面反应共同决定。在快速热冲击环境下,焊点的断裂模式从韧性断裂转变为脆性断裂,而高Ag含量使得焊点的断裂模式转变时间更短,降低焊点的抗热疲劳性能。

固态热迁移下Cu/SAC305/Cu微焊点界面IMCs微观形貌演变研究

【目的】研究固态热迁移条件下Cu/SAC305/Cu微焊点中金属间化合物(IMCs,Intermetallic Compounds)微观形貌演变与非均匀化生长规律。【方法】使用回流焊机制备微焊点,并利用固态热迁移平台开展热迁移试验。【结果】随着热迁移时间的延长,在冷端Cu与Cu6Sn5界面处产生Cu3Sn新相,界面IMCs总厚度增加,形貌由均匀分布的扇贝状转化为层状,微焊点界面存在冷端IMCs增长显著快于热端的非均匀化生长现象。【结论】研究了Cu/SAC305/Cu微焊点服役过程中微观形貌演变规律,为可靠性评估提供一定的参考。

Cu/Sn/Cu微焊点界面反应的微观组织

采用电子背散射衍射(EBSD)技术研究了Cu/Sn/Cu微焊点焊后态以及110℃×400h时效态的界面反应状况。结果表明,Cu/Sn/Cu微焊点界面反应后的组织由Cu6Sn5、Cu3Sn与β-Sn构成。经110℃×400h时效后,β-Sn被大量消耗,Cu6Sn5由焊后态的扇贝状向多边形块状转变,Cu3Sn仍保持长条状。另外,400h时效后,Cu6Sn5的(0001)面择优取向特点不变,且<0001>晶向平行于RD(轧向)方向。计算取向差角分析400h时效后生成的Cu6Sn5界面类型,发现取向差角分别约为53°、45°、36°,为大角度晶界。组织形貌与晶粒取向分析的结果表明,等温时效对焊点微观组织取向影响较小,但对组织的转变与生长影响极大。

Sn-3.0Ag-0.5Cu/Ni/Cu微焊点剪切强度与断口的研究

用直径为200-500μm的Sn-3．0Ag-0．5Cu无铅焊球分别在Ni和Cu焊盘上制作焊点，并对焊后和时效200h后的焊点进行剪切测试，并采用SEM观察剪切断口形貌。结果表明，焊后和时效200h后焊点接头的剪切强度都随焊球尺寸增大而减小。焊后断口处韧窝形状为抛物线型，断裂方式为韧性断裂；随着焊球尺寸的增大，剪切断口处的韧窝数量增多，韧窝的变小变浅。时效200h后，韧窝变浅，趋于平坦，韧窝数量也明显减少，材料的韧性下降，脆性增加，断裂方式由韧性向脆性发生转变。

Ni元素对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu无铅微焊点界面IMC和力学性能的影响

以Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE无铅钎料为研究对象,借助扫描电镜和X衍射等检测方法研究了Ni元素对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu无铅微焊点界面IMC和力学性能的影响.结果表明,添加适量Ni元素能显著细化Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎料合金初生β-Sn相和共晶组织,抑制焊点界面区(Cu,Ni)6Sn5金属间化合物的生长和表面粗糙度的增加,提高无铅焊点抗剪强度.当Ni元素添加量为0.1%时,钎料合金组织细小均匀,共晶组织所占比例较多;焊点界面IMC薄而平整,(Cu,Ni)6Sn5颗粒尺寸小,对应焊点抗剪强度最高为45.6 MPa,较未添加Ni元素焊点提高15.2%.

Sn-3Ag-0.5Cu/Ni微焊点多次回流焊后IMC厚度及组织分析

采用Sn-Ag-Cu焊球(直径200,300,400和500μm),镀Ni盘,研究1,3,5次回流焊条件下焊点的IMC厚度及显微组织与焊球尺寸间的关系。结果表明:对于同一尺寸的焊球,随着回流焊次数的增加,IMC的厚度增大,形状由平直状逐渐过渡为体钎料一侧凹凸不平;在同一回流焊次数下,随着焊球尺寸的增大,IMC厚度减小,形貌相对没有明显差别。IMC的组成成分随着Ni向体钎料方向的不断扩散而从Sn、Ag、Cu合金变成Sn、Ag、Cu、Ni合金,其主要组成部分为(Cu,Ni)6Sn5。

电-力耦合作用下Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu微焊点的拉伸力学性能和断裂行为

对比研究三明治结构线形Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu微焊点在拉伸、电-拉伸和电迁移后电-拉伸三种加载模式下的力学行为和断裂特性,并基于电流引发的焦耳热效应和电迁移效应,从电流对原子和空位扩散、空位浓度及位错滑移与攀移的影响等方面,探讨电-力耦合载荷对焊点拉伸断裂行为的影响。结果表明,焊点在电-拉伸时应力-应变曲线呈现快速变形、线性变形和加速断裂三阶段,其中快速变形阶段是以焦耳热引起的热弹性变形为主,而拉伸和电迁移后电-拉伸时应力-应变曲线只存在线性变形和加速断裂阶段;电迁移后电-拉伸时焊点断裂强度和断裂应变最小而等效模量最大,拉伸加载时焊点断裂强度和断裂应变最大而等效模量最小;电-拉伸时β-Sn相趋于沿电、力加载方向排列;三种加载模式下焊点断裂均发生在钎料体内,呈韧性断裂。

微电子封装中全Cu_3Sn焊点形成过程中的组织演变及生长形貌

在3D封装中,全Cu_3Sn焊点逐渐得到广泛应用。选择270℃,1N分别作为钎焊温度和钎焊压力,在不同钎焊时间下制备焊点,分析其组织演变过程,分别观察不同钎焊温度和钎焊时间下Cu_6Sn_5立体形貌,以研究Cu_6Sn_5生长规律及温度对其生长形貌的影响。结果表明:钎焊30min后Cu基板与液态Sn之间形成扇贝状Cu_6Sn_5,Cu_6Sn_5与Cu基板之间出现一层较薄的Cu_3Sn。当钎焊时间增加到60min后,液态Sn全部被消耗,上下两层Cu_6Sn_5形成一个整体。继续增加钎焊时间,Cu_3Sn以Cu_6Sn_5的消耗为代价不断长大,直到480min时Cu_6Sn_5全部转化成Cu_3Sn。Cu_6Sn_5长大增厚过程为表面形核、长大、小晶粒融合、包裹初始大晶粒。随着钎焊温度的增加,Cu_6Sn_5的形貌逐渐由多面体状变为匍匐状。

Cu/Sn/Ni焊点界面金属间化合物的生长及演变

【目的】研究Cu/Sn/Ni焊点在265℃下键合过程中界面金属间化合物的生长趋势及形貌演变。【方法】使用扫描电镜对焊点进行观察和分析。【结果】随着键合时间的增加,界面金属间化合物总厚度不断增加。在Cu-Ni的交互作用下,界面金属间化合物在Cu/Sn和Ni/Sn两侧表现出不同的界面形貌演变和生长速度。在等温回流的四个时间节点中,Cu/Sn侧的金属间化合物生长速率呈先快后慢的趋势,而Ni/Sn侧则为先慢后快。此外,在Cu/Sn/Ni焊点等温回流的四个时间节点中,Cu/Sn侧和Ni/Sn侧金属间化合物的微观形貌存在明显差异。【结论】本研究为深入理解焊点界面金属间化合物的生长规律提供了有价值的参考。

不同Cu/Sn比与IMC-Cu复合微焊点形成速度的相关性

为了研究不同Cu/Sn比对复合微焊点IMC-Cu界面生长行为的影响,采用瞬态液相连接技术与热压焊相结合的方法,以泡沫铜、纯Sn和Cu基板为原料,制备IMC-Cu复合微焊点研究不同Cu/Sn比对复合微焊点IMC生长行为影响。结果表明:Cu/Sn比对复合焊点中IMC生长行为影响显著。随着焊点中Sn含量的减少,IMC的生长速度增加。降低复合微焊点中Sn含量有利于反应界面处Cu_(3)Sn的生长;获得全Cu_(3)Sn-Cu复合微焊点的时间随焊点中Sn含量降低而减少。在相同焊接条件下,Sn质量分数为20%的微焊点在焊接25 min时率先生成全Cu_(3)Sn接头,较Sn质量分数为40%时焊接时间缩短了20%。当ω(Sn)在20%~40%范围内,随焊点中Sn含量减少,Cu_(3)Sn的生长速度增加,获得全Cu_(3)Sn-Cu复合微焊点的时间缩短。

RE对Sn2.5Ag0.7Cu/Cu焊点性能的影响

利用X射线衍射分析仪(XRD)和JSM-5610LV扫描电镜(SEM)研究RE含量对Sn2.5Ag0.7Cu/Cu焊点界面区显微组织、剪切强度和蠕变断裂寿命的影响。结果表明:Sn2.5Ag0.7CuxRE焊点界面区金属间化合物由靠近钎料侧Cu6Sn5和靠近Cu基板侧Cu3Sn构成;添加微量RE可细化Sn2.5Ag0.7Cu焊点内钎料合金的显微组织和改善钎焊接头界面区金属间化合物的几何尺寸及形态;当RE添加量为0.1%时,焊点的剪切强度最高,蠕变断裂寿命最长。

电子封装中Cu/Sn/Cu焊点组织演变及温度对IMC立体形貌影响

通过电镀的方法在抛磨好的铜基体沉积4μm的锡层,并组合成一个Cu/Sn/Cu结构.分别选择240℃、1 N作为钎焊温度和钎焊压力,在不同的钎焊时间下制备焊点,分析了Cu/Sn/Cu焊点组织演变规律.分别制备了不同钎焊温度下(240,270,300℃)Cu_6Sn_5和Cu_3Sn的立体形貌,分析了温度对Cu_6Sn_5和Cu_3Sn立体形貌的影响规律.结果表明,钎焊30 min后Cu_6Sn_5为平面状,随着钎焊时间的增加逐渐转变成扇贝状.在扇贝底部的Cu_3Sn要比扇贝两侧底部的Cu_3Sn厚.增加钎焊时间锡不断被反应,上下两侧Cu_6Sn_5连成一个整体.继续增加钎焊时间Cu_6Sn_5不断转变成为Cu_3Sn.随着钎焊温度的升高Cu_6Sn_5的立体形貌逐渐由多面体状转变成匍匐状,而Cu_3Sn晶粒随着钎焊温度上升不断减小.

Cu-Ni交互作用对Cu/Sn/Ni焊点液固界面反应的影响

研究Cu/Sn/Ni焊点在250℃液固界面反应过程中Cu-Ni交互作用对界面反应的影响。结果表明:液固界面反应10 min后,Cu-Ni交互作用就已经发生,Sn/Cu及Sn/Ni界面金属间化合物(IMCs)由浸焊后的Cu6Sn5和Ni3Sn4均转变为(Cu,Ni)6Sn5,界面IMCs形貌也由扇贝状转变为短棒状。在随后的液固界面反应过程中,两界面IMCs均保持为(Cu,Ni)6Sn5类型,但随着反应的进行,界面IMC的形貌变得更加凸凹不平。Sn/Cu和Sn/Ni界面IMCs厚度均随液固界面反应时间的延长不断增加,界面IMCs生长指数分别为0.32和0.61。在液固界面反应初始阶段,Sn/Cu界面IMC的厚度大于Sn/Ni界面IMC的厚度;液固界面反应2 h后,由于Cu-Ni交互作用,Sn/Cu界面IMC的厚度要小于Sn/Ni界面IMC的厚度,并在液固界面反应6 h后分别达到15.78和23.44μm。

镧对Cu_6Sn_5长大驱动力及焊点可靠性的影响

在Sn60 Pb40钎料合金中加入微量稀土元素镧可以抑制表面组装焊点界面处Cu6 Sn5金属间化合物的生长 ,进而使焊点热疲劳寿命提高两倍。基于扩散动力学的热力学计算结果表明 ,添加微量稀土元素镧可降低Cu6 Sn5金属间化合物的长大驱动力 ,但存在一个镧的有效局部摩尔分数范围 ,0 18%是其极限值 ,0 0 8%是其最佳值。

稀土元素Ce对Sn-Cu-Ni无铅钎料铺展性能及焊点力学性能的影响

研究了不同含量稀土元素Ce对Sn-Cu-Ni钎料铺展性能及其焊点力学性能及钎料显微组织的影响规律。结果表明,随着稀土元素Ce含量的增加,钎料在铜基板上的铺展面积逐渐增大,当Ce元素含量达到0.05%时,钎料的铺展面积达到最大。Sn-Cu-Ni钎料中添加适量的稀土元素Ce,能够细化钎料组织,从而提高焊点的力学性能。当Ce元素的含量为0.05%左右时,焊点的力学性能达到最佳值。Ce元素含量超过0.05%后,继续增大稀土元素Ce的添加量,Sn-Cu-Ni钎料的显微组织又变得粗大,铺展性能有所降低,焊点力学性能也随之有所下降。

电子封装中Cu／Cu3Sn／Cu焊点的制备工艺及组织演变

采用电镀的方法在Cu基板沉积4μm厚Sn层作为钎料,在不同参数下对双钎料Cu/Sn+Sn/Cu三明治结构进行钎焊连接,得到可形成全Cu_3Sn焊点的最优工艺参数组合为:Ar气保护下300℃,3 h,1 N。然后研究了全Cu3Sn焊点形成过程中不同金属间化合物(Cu_6Sn_5和Cu_3Sn)的生长形貌和界面反应机理。结果表明,钎焊10 min后在Cu-Sn界面形成了扇贝状的Cu_6Sn_5,并且在Cu基板与Cu_6Sn_5之间有一层很薄的Cu_3Sn出现,Cu/Cu_3Sn和Cu3Sn/Cu_6Sn_5界面较为平整。随着时间延长,上下两层Cu6Sn5相互接触并融为一体,直至液态Sn完全被消耗,而Cu_3Sn通过消耗Cu_6Sn_5而快速增长,直到界面区全部形成Cu_3Sn。

应用于3D集成的高密度Cu/Sn微凸点键合技术

3D-IC技术被看作是应对未来半导体产业不断增长的晶体管密度最有希望的解决方案,而微凸点键合技术是实现3D集成的关键技术之一。采用电镀工艺制作了直径为50μm、间距为130μm的高密度Cu/Sn微凸点,分析了不同预镀时间及电流密度对Cu微凸点形成质量的影响,并使用倒装焊机实现了高密度Cu/Sn微凸点的键合。利用直射式X射线、分层式X射线对键合样片进行无损检测,结果表明键合对准精度高,少量微凸点边缘有锡被挤出,这是由于锡层过厚导致。观察键合面形貌,可以发现Cu和Sn结合得不够紧密。进一步对键合面金属间化合物进行能谱分析,证实存在Cu6Sn5和Cu3Sn两种物质,说明Cu6Sn5没有与Cu充分反应生成稳态产物Cu3Sn,可以通过增加键合时间、减少Sn层厚度或增加退火工艺来促进Cu3Sn的生成。

Zn−Sn−Cu−xNi无铅焊料合金的电化学腐蚀行为

通过铸造法制备Zn−30Sn−2Cu−xNi(x=0,0.5,1.0,1.5,质量分数,%)无铅焊料合金,并研究该合金的微观组织演化及在0.5 mol/L NaCl溶液中的腐蚀行为。采用电位动力学极化和电化学阻抗谱(EIS)技术研究其电化学行为,以此评估Ni元素含量对Zn−Sn−Cu合金腐蚀性能的影响。通过观察腐蚀过程中合金表面显微组织的演变,分析Zn−Sn−Cu−Ni合金的腐蚀机理。结果表明,添加0.5%Ni由于形成致密而均匀的腐蚀层从而有效提高Zn−30Sn−2Cu合金的耐腐蚀性能,且其主要腐蚀产物为ZnO,Zn(OH)_(2)和Zn_(5)(OH)_(8)Cl_(2)·H_(2)O。当Ni含量达到1.0%和1.5%时,Zn−30Sn−2Cu合金的耐腐蚀性能下降,主要是由于(Ni,Cu)5Zn21金属间化合物与富Zn相之间的电偶腐蚀加速富Zn相的溶解。因此,Zn−30Sn−2Cu−0.5Ni焊料合金具有最佳的耐腐蚀性能。

Al_2O_3颗粒对SnAgCu焊点电迁移行为的影响

研究了在0.6×10~4A/cm^2电流密度下,A1_2O_3颗粒对Cu/SAC-A1_2O_3/Cu焊点基体组织及界面金属间化合物(IMC)层的影响规律。结果表明,SAC焊点组织随通电时间延长,由椭圆状转变为不规则的粗大块状,界面IMC层出现了显著的极化现象。SAC-A1_2O_3组织中共晶相仍呈近椭圆状弥散分布,无明显粗化现象,界面IMC层厚度也出现了极化现象,但相比于SAC焊点而言,极化程度较低。0.5wt%Al_2O_3的添加有助于提高Cu/SAC-Al_2O_3/Cu焊点抗电迁移可靠性。

Ni-rGO增强Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE复合钎料钎焊接头显微组织与性能

采用粉末熔化法制备了镍粒子修饰的还原氧化石墨烯(Ni-rGO)增强Sn2. 5Ag0. 7Cu0. 1RE复合钎料,借助于扫描电子显微镜和X射线衍射,研究了Ni-rGO增强Sn2. 5Ag 0. 7Cu 0. 1RE复合钎料钎焊接头的显微组织与性能。研究结果表明:Ni-rGO增强Sn2. 5Ag0. 7Cu0. 1RE复合钎料与Cu基板可实现良好焊接。在钎焊温度270℃、钎焊时间240 s时,复合钎料钎焊接头剪切强度为29. 7 MPa,高于Sn3. 0Ag0. 5Cu钎料钎焊接头。随着钎焊时间的增加,钎焊接头剪切断裂机制呈现由以韧窝为主的韧性断裂向韧窝和解理组成的韧-脆混合断裂转变,断裂途径由钎缝和界面金属间化合物(IMC)层组成的过渡区向界面IMC方向移动。复合钎料钎焊接头钎缝区由β-Sn和共晶组织组成,界面IMC层由Cu6Sn5和新相(Cu,Ni)6Sn5组成。Ni-rGO增强Sn2. 5Ag0. 7Cu0. 1RE复合钎料钎焊接头的IMC厚度、粗糙度增加,界面IMC显微组织由扇贝状转变为锯齿状。