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。

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)。

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)。

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%。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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%。

孔雀绿-PVA-磷钼酸铵分光光度法测定无铅锡基焊料中磷含量

文章提出了孔雀绿-PVA-磷钼酸铵以三元络合物体系测定无铅锡基焊料中磷的方法,且能稳定存在于含有聚乙烯醇的水溶液中。缔合物最大吸收峰值位于600 nm波长处,波尔吸收系数ε=8.27×10^(4)L/mol·cm。线性回归方程为y=9.6731x-0.0761,相关系数为0.9995,25 mL溶液中磷质量在1~6μg范围内符合Lambert-Beer定律。测定无铅焊料中磷含量相对标准偏差0.80%~2.95%(n=11),加标回收率在96.59%~104.45%。优化样品前处理方式,缩短了样品前处理时间。该法显色酸度范围宽、共存离子干扰性小、选择性好、显色稳定时间长,准确度较高,易于操作。

稳态磁场对SnBi焊料在Cu基板上的润湿影响

Sn-Bi焊料,凭借其低熔点、高稳定性、环保性、可靠性和低廉的成本,已经在电子、通信、航空航天等领域得到了广泛应用。为了深入探究稳态磁场对Sn42Bi58焊料润湿性的影响,文章采用了实验与高速摄像技术相结合的方法,对焊接过程进行了细致的观察和分析。实验结果显示,在稳态磁场的作用下,Sn42Bi58焊料的润湿性得到了显著的提升,证明了稳态磁场对润湿性具有积极的影响。通过进一步的原理分析,推测稳态磁场可能通过改变液态焊料的表面张力、润湿角和铺展行为等方式,对润湿过程产生了影响。综上所述,SnBi焊料因其出色的性能和低廉的成本,成为电子封装领域的理想选择。而研究稳态磁场对润湿性的影响,不仅有助于更深入地理解磁场与材料性能之间的关系,还能为优化焊接工艺和提高产品质量提供有益的启示和指导。

粘片焊料二次流淌对铝硅丝键合衬底可靠性影响研究

以某款器件在一致性检验的内部目检中发现的失效现象为依托,开展试验研究。针对铝硅丝无法直接键合在芯片安装材料之上的问题,从粘片焊料在封帽过程中的重熔现象进行分析,对有问题的键合丝做300℃、24 h存储试验和125℃、168 h寿命试验,测试键合拉力和断点位置。试验后键合拉力满足国军标要求,断裂位置也不在金铝键合界面处出现,能够有效解释粘片焊料二次流淌对铝丝键合衬底可靠性的影响,避免问题再次发生。

泡沫Ni/In-48Sn复合焊料钎焊Al合金接头显微结构及力学性能研究

In-48Sn共晶焊料具有熔点低、延展性高、润湿性好等优点,在微波、通信等功能组件的钎焊连接中具有广泛应用。然而,In-48Sn共晶焊料力学性能较差,已难满足新一代功能组件的载荷要求。采用微合金化及微纳米颗粒、纤维强化等方法可在一定程度上提高焊料的强度,但钎焊接头的强度提升效果有限。基于此,本工作采用真空浸渗工艺制备了泡沫Ni强化In-48Sn复合焊料,并采用该复合焊料对表面含Ag镀层的Al合金进行了低温钎焊连接,重点研究了泡沫Ni孔隙率和钎焊时间对接头显微结构及力学性能的影响。研究结果表明,Al合金表面形成了Ag2In金属间化合物(IMC)层,其随钎焊时间延长不断增厚,且在无Ni骨架阻挡时易向焊缝中生长形成块状结构。In-48Sn焊料与泡沫Ni骨架反应形成了(Ni,Cu)_(3)-(In,Sn)_(7)相,延长钎焊时间、减小泡沫Ni孔隙度均会促进该反应相的形成并加快In基焊料的消耗,最终焊缝完全由Ni骨架和IMCs组成,而钎焊接头的剪切强度也相应增加。采用50%Ni-In48Sn复合焊料钎焊120 min时接头剪切强度达到了34.34 MPa,相比In-48Sn共晶焊料钎焊接头提升了335.2%。

SiC基IGBT高铅焊料芯片固晶层的热冲击失效机理

目前大功率SiC IGBT器件常用高熔点的高铅焊料作为固晶材料,为保证功率器件的长期使用,需研究温度冲击条件下高铅焊点的疲劳可靠性,并探究其失效机理。采用Pb92.5Sn5Ag2.5作为SiC芯片和基板的固晶材料,探究温度冲击对固晶结构中互连层疲劳失效的影响。结果表明,温度冲击会促进焊料与SiC芯片背面的Ti/Ni Ag镀层反应生成的块状Ag3Sn从芯片/焊料层界面往焊料基体内部扩散,而焊料与Cu界面反应生成的扇贝状Cu3Sn后形成的富Pb层阻止了Cu和Sn的扩散反应,Cu3Sn没有继续生长。750次温度冲击后,焊料中的Ag与Sn发生反应生成Ag3Sn网络导致焊点偏析,性质由韧变脆,焊点剪切强度从29.45 MPa降低到22.51 MPa。温度冲击模拟结果表明,芯片/焊料界面边角处集中的塑性应变能和不规则块状Ag3Sn导致此处易开裂。

Sn-Bi基低温无铅焊料的研究进展

作为一种新型低温无铅焊料,Sn-Bi基低温无铅焊料具有较低的熔化温度以及优良的焊接性能,在电子封装领域有着广泛的应用。随着电子元器件向微型化方向的发展,对低温无铅焊料的性能提出了更高的要求。添加微量的合金元素及纳米颗粒可以改善焊料的组织性能,满足电子元器件发展的需求。系统介绍了Sn-Bi基低温无铅焊料的组成、结构以及焊接性能,综述了合金元素和纳米颗粒对Sn-Bi基低温无铅焊料组织性能的影响及作用机理,分析了在研制Sn-Bi基低温无铅焊料过程中存在的不足之处,并提出了相应的改进方法。最后对Sn-Bi基低温无铅焊料在发展中需要关注的问题进行了总结与展望。