Ni-Sn-Ni焊点界面金属间化合物的微观形貌演变研究

【目的】研究Ni-Sn-Ni微焊点在固液反应条件下界面金属间化合物(Intermetallic Compounds,IMCs)的生长及形貌变化。【方法】采用精密夹具调控的Ni-Sn(20μm)-Ni作为样品,通过SEM观察等温条件下Ni-Sn-Ni不同时间点横截面的微观组织结构,并通过EDX对界面处生成的IMCs进行分析。【结果】在Ni-Sn反应的界面处仅生成一种单相IMCs,为Ni_3Sn_4,该界面IMCs的生长速度由快变慢最后趋于平缓。此外,界面IMCs的形貌随时间由针状转变为棒状后再转变为块状。【结论】在Ni-Sn固液反应中,界面IMCs的生长速度及形貌随键合时间的增加发生显著变化。

温度梯度下Cu/Sn-58Bi/Cu微焊点热迁移及界面反应行为

探究了焊点平均温度为110℃(时效)及180℃(回流)时,Cu/Sn-58Bi/Cu微焊点在温度梯度作用下的原子热迁移行为及界面反应行为.结果表明,在时效过程中,因Bi相的网状结构,Cu/Sn-58Bi/Cu微焊点冷、热两端界面金属间化合物(intermetallic compound,IMC)呈现对称性生长.在温度梯度为1000℃/cm时,未发生明显的Bi原子迁移现象,但当温度梯度达到或超过1300℃/cm时,Bi原子会由热端向冷端界面迁移,并在冷端界面处偏聚.在回流过程中,温度梯度驱动Cu原子由微焊点热端向冷端界面迁移,导致两端界面IMC呈非对称性生长,而并未发现Bi原子的热迁移行为.因此,当Cu/Sn-58Bi/Cu微焊点中钎料呈液态时,温度梯度仅驱动了Cu原子的热迁移,并未致使Bi原子发生热迁移;当钎料呈固态时,在较低温度梯度下Cu和Bi原子均不发生明显的热迁移,但较高的温度梯度会引发Bi原子的热迁移.

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。

BGA焊点微裂纹缺陷检测研究

球栅阵列封装(BGA)元器件的焊点隐藏于IC芯片底部,经电装后仅边缘焊点可见,因此检验其焊接质量是行业普遍的难题。探讨了BGA焊点微裂纹缺陷的产生机理和裂纹分布,设计了基于计算机分层层析成像(CL)技术的BGA焊点微裂纹缺陷检测方法和检测流程。经实测证明,该测试方法可以兼顾检测质量和效率,具有工程应用的可行性,可为BGA焊点检验人员提供参考。

微焊点服役过程的多物理场耦合仿真研究——以功率半导体封装用Cu6Sn5微焊点为例

功率半导体高度小型化、智能化和集成化的发展趋势对半导体封装材料的耐温能力提出了新的挑战。将传统低熔点的Sn基微焊点转变为高熔点的Cu6Sn5金属间化合物微焊点进而构建新型耐高温微焊点阵列,成为目前功率半导体封装领域的研究热点。基于Comsol商用有限元仿真软件,可以针对功率半导体新型Cu6Sn5金属间化合物封装微焊点开展电-热-结构多物理场耦合仿真研究。研究解析了新型微焊点在室温和循环变温两种典型服役条件下的电场、热场及结构场分布,提出新型微焊点的潜在失效方式并建立了相应可靠性评价方法,仿真结果对于Cu6Sn5金属间化合物封装微焊点在功率半导体的实用应用具有重要指导意义。

航天电子微焊点液-固界面反应过程中的尺寸效应与工艺优化

针对微型化趋势下焊球的尺寸效应问题,研究了航天电子微焊点互连工艺过程中液-固界面反应与微观组织的影响规律,并对互连工艺进行了优化.具体研究了不同直径(200、400μm)的Sn-3.0Ag-0.5Cu和Sn-37Pb焊球分别在球栅阵列(BGA)器件侧金属化层(电镀Ni/Au)上进行单侧植球回流焊后的尺寸效应现象.研究结果表明:Sn-37Pb焊点界面处生成针状或短棒状的Ni3Sn4类型的金属间化合物(IMC)晶粒;Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点界面处生成不规则的块状(Cu,Ni)6Sn5晶粒.两种类型的焊点在液-固界面反应过程中均表现出明显的尺寸效应现象,即焊球尺寸越小,界面生成的IMC晶粒直径越大,IMC层越厚.基于建立的浓度梯度控制(CGC)界面反应理论模型,揭示了界面反应尺寸效应产生的原因与界面反应进程中界面溶质原子的浓度梯度相关,较小尺寸焊点界面处的溶质原子浓度梯度较小,溶质原子扩散通量较低,形成的界面IMC晶粒较大.基于CGC界面反应理论模型,对200μm直径Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点的单侧植球回流焊工艺参数进行了优化,工艺优化后界面生成的IMC晶粒直径减小了约60%,并且焊点在150 oC高温时效1000 h后的剪切强度提高了34%.

一种用于微系统微焊点层的改进等效力学参数计算方法

随着电子产品不断向微型化、集成化发展,基于硅通孔(TSV)的2.5D和3D封装等先进封装技术被广泛应用于微系统集成.然而,数量众多的微米级焊点和毫米级管壳封装使得微系统结构呈现多尺度特征,极大增加了仿真分析难度、降低了计算效率,亟需通过微焊点层的等效力学参数均匀化计算以建立简化模型减少计算量.采用理论分析与有限元仿真两种方法分别计算微焊点层等效力学参数,并对比分析两种方法计算结果差异.最后,结合有限元方法计算值,提出了一种改进等效力学参数均匀化计算方法,高效且精确给出微焊点层等效力学参数,为微系统封装结构的仿真分析评估提供技术支撑.

全金属间化合物微焊点的制备及性能表征研究进展

基于微凸点和硅通孔的3D封装是一种通过多层芯片垂直互连堆叠,将芯片技术与封装技术进行结合的新技术,满足了电子产品微型化、高性能的发展需求,是实现下一代超大规模集成微系统的核心互连技术。3D封装技术对互连焊点有一个特殊的要求,即在向上堆叠芯片时,低级封装的焊点不应被重新熔化。低温下制备全金属间化合物(Intermetallic compound, IMC)微焊点为实现叠层芯片互连提供了新的解决方案。本文对近年来全IMC微焊点的制备工艺和基本原理进行综合分析;揭示Cu-Sn系统界面反应的扩散机制及IMC生长动力学规律;对比不同键合参数下全IMC微焊点的服役可靠性。最后,指出各种全IMC微焊点制备工艺的优缺点,并对其未来研究发展趋势进行展望。

焊点高度对微尺度焊点力学行为的影响

采用精密动态力学分析仪研究了直径恒定为400μm、高度为125～325μm的无铅Sn-3.0Ag-0.5Cu"铜引线/钎料/铜引线"三明治结构微尺度焊点在100℃和25℃温度下的准静态拉伸与剪切力学行为以及断裂失效机制.结果表明,所有微尺度焊点的拉伸和抗剪强度均随焊点高度的增大而减小;在相同的试验条件下,相同尺寸微尺度焊点的抗剪强度低于抗拉强度,同时剪切断裂应变小于拉伸断裂应变,表明电子封装互连微尺度焊点在剪切应力下的服役环境更为严峻.但是,在相同的加载速率下,相同尺寸微尺度焊点的拉伸强度与断裂应变均随温度的升高而减小.

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.

微连接焊点可靠性的研究现状

从焊点的形态预测、焊点应力应变过程的数值模拟以及其热疲劳寿命预测等三个方面对近年来国内外在微连接焊点可靠性方面的研究进行了综述,指出探索多因素作用下焊点三维形态的通用性预测模型、研究更为精确的物理模拟方法及在此基础上的数值模拟和对新型无铅钎料的可靠性进行研究将是未来的发展方向。

Bi和Ni元素对Cu/SAC/Cu微焊点体钎料蠕变性能的影响

借助纳米压痕试验方法,对Cu/SAC305/Cu,Cu/SAC0705/Cu和Cu/SAC0705BiNi/Cu微焊点体钎料在不同最大载荷下的压入蠕变性能进行比较,并分析和讨论Bi、Ni元素的添加对低银Cu/SAC0705/Cu微焊点体钎料蠕变性能的影响。试验采用一次加载-卸载方式,加载时最大载荷分别为20mN、30mN、40mN和50mN,保载时间均为180s。采用FEISIRION扫描电子显微镜对微焊点体钎料在不同最大载荷下的压痕形貌进行观察。结果表明:在相同最大载荷和保载时间条件下,3种微焊点中Cu/SAC0705BiNi/Cu的蠕变深度和压痕尺寸均小于Cu/SAC305/Cu和Cu/SAC0705/Cu。在4种不同最大载荷下,与Cu/SAC0705/Cu微焊点体钎料相比,Cu/SAC0705BiNi/Cu微焊点体钎料的压入蠕变率分别降低了11.883%、16.059%、8.8157%和12.891%。Bi、Ni元素的添加,使Cu/SAC0705/Cu微焊点体钎料的蠕变应力指数提高了32.175%,有效提高了低银Cu/SAC0705/Cu微焊点体钎料的抗蠕变性能。

电迁移致SnAgCu微焊点强度退化及尺寸效应研究

在100℃温度下,对直径为300μm、高度为100,200和300μm的Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料微焊点施加密度为1×104A/cm2的直流电流。通电48h后,利用DMA对电迁移作用后微焊点拉伸强度的变化进行了研究。结果表明,电迁移作用导致微焊点拉伸强度明显退化,且退化程度随微焊点高度的减小而减弱。其中,高度为300μm的微焊点的平均拉伸强度由初始态的44.4MPa降至27.8MPa,下降了37.4%。电迁移还导致微焊点的断裂由延性变为延性与脆性相结合的模式。

QFP器件半导体激光钎焊焊点力学性能和显微组织

采用半导体激光软钎焊和红外再流焊方法对QFP32和QFP48两种不同结构尺寸的器件引线进行了钎焊性试验,针对使用Sn-Pb和Sn-Ag-Cu两种不同成分钎料所得到的QFP器件焊点,采用微焊点强度测试仪研究了其抗拉强度的分布规律,并采用扫描电子显微镜分析了焊点断口的显微组织特征。结果表明,同种QFP器件焊点的抗拉强度,半导体激光软钎焊焊点明显高于红外再流焊焊点抗拉强度,QFP48器件焊点抗拉强度明显高于QFP32器件焊点的抗拉强度。半导体激光焊QFP器件焊点的断裂方式为韧性断裂,红外再流焊焊点断裂方式兼有脆性断裂和韧性断裂的特征。

超低银SnAgCu钎料微焊点力学性能

研究了复合添加Ga/Nd元素对超低银Sn-0.3Ag-0.7Cu钎料微焊点力学性能的影响.结果表明,复合添加适量Ga/Nd元素可以显著改善微焊点界面组织,抑制微焊点界面附近金属间化合物的生成,从而提高微焊点的力学性能,相比母合金微焊点剪切力提高幅度达到约16%;微焊点的力学性能随着时效时间的增加而降低,降低幅度优于未添加Ga/Nd的微焊点.Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.5Ga-0.1Nd钎料微焊点的力学性能在时效处理后仍保持较好的水平,已接近Sn-3.8Ag-0.7Cu钎料微焊点的90%,具有良好的工业应用前景.

不同体积无铅微尺度焊点的蠕变力学性能

采用基于动态力学分析仪的精密蠕变试验方法,对比研究了5.34×107μm3与7.07×106μm3两种体积相差近一个数量级的无铅Sn-3.0Ag-0.5Cu微尺度焊点的高温蠕变力学行为与蠕变性能.结果表明,所有微尺度焊点的蠕变曲线均呈现初始蠕变、稳态蠕变和加速蠕变阶段.虽然微尺度焊点的体积存在较大差异,但是它们的蠕变激活能与蠕变应力指数均非常接近.此外,在相同的试验温度与拉伸应力作用下,大体积微尺度焊点的稳态蠕变速率相对小体积焊点更大,而蠕变寿命则呈现完全相反的趋势.

Bi含量对Cu/Sn-0.3Ag-0.7Cu/Cu微焊点蠕变性能的影响

采用光学显微镜、电子显微镜和动态力学分析等方法研究Bi含量对直径为400μm、高度为200μm的无铅Cu/Sn-0.3Ag-0.7Cu(SAC0307)/Cu微尺度焊点的显微组织及蠕变性能的影响。结果表明:当焊点中Bi含量较低(1%(质量分数))时,其基体组织细小,Cu_6Sn_5为粗大块状,Ag_3Sn分布不均匀;当焊点中Bi含量较多(3%(质量分数))时,基体组织与Cu_6Sn_5进一步细化,Ag_3Sn在细化的同时分布更均匀,界面扇贝状IMC层更平直。另外,温度为80~125℃、应力为8~15 MPa条件下,拉伸蠕变试验得到SAC0307微焊点的蠕变激活能(Q)和蠕变应力指数(n)分别为82.9 k J/mol和4.35;当钎料中Bi含量由1.0%增加到3.0%时,焊点的Q值从89.2 k J/mol增加到94.6 k J/mol,n值由4.48增加到4.73,钎焊接头的抗蠕变能力明显提高,所有焊点的蠕变变形机制主要受位错攀移控制。

电迁移对低银无铅微尺度焊点力学行为的影响

研究了电迁移条件下不同电流密度（0.63～1.0×10^4A/cm^2）和通电时间（0～48 h）对低银无铅Sn-Ag-Cu微尺度焊点的拉伸力学行为的影响.结果表明,电迁移导致了低银无铅微尺度焊点的抗拉强度显著降低,并且随着电流密度的增加或通电时间的延长,焊点的抗拉强度均呈下降趋势;同时电迁移还导致焊点的拉伸断裂模式发生明显变化,在经历高电流密度或长时间通电的电迁移后,焊点在服役条件下会发生由韧性断裂向脆性断裂的转变.此外含银量高的微尺度焊点的抗电迁移性能更强.

焊点尺寸对微焊点拉伸断裂强度的影响

采用基于动态力学分析仪（DMA）的精密拉伸试验与ANSYS有限元数值模拟方法研究了“铜引线／Sn-3．0Ag-0．5Cu钎料膳同引线”三明治结构微焊点（直径均为200μm，高度为75-225μm）的拉伸断裂行为。结果表明：微焊点直径不变而高度为225，175，125和75μm时，其拉伸断裂强度分别为79．8，82．8，92．5与104．6MPa，即焊点尺寸（高度）减小会导致拉伸断裂强度增大，同时微焊点最终断裂位置由焊点中部向钎科似同引线的界面处转移。

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。