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。

基于Au/Ni-W多层薄膜修饰铜基微纳分级结构固相瞬态焊接方法

目的以特殊形貌的铜基微纳结构为基板,在其上依次镀覆Ni-W合金层和Au纳米层,在超声能量和室温条件下,实现瞬时与锡基焊料的焊接,解决无铅焊料由于高熔点对薄芯片和热敏器件造成的热冲击和热损伤问题,保证器件安全性和性能可靠性。方法采用电化学方法沉积出特殊形貌铜基微纳分级结构,在其上化学镀覆层厚为180 nm的Ni-W合金层和50 nm的Au层。将获得的Au/Ni-W多层薄膜修饰的铜基结构与商用焊料(SAC305)在焊接压力98 N(20 MPa)、焊接时间3 s、超声振动3 s条件下实现固相瞬态焊接。将不同表面修饰层的铜基微纳分级结构与焊球进行破坏剪切测试。将焊接后的样品在180℃下分别进行10、30、60 min的时效处理。结果铜基微米级突起结构高度为2~4μm,底端尺寸为800~1200 nm,具有优良的凸起结构密度和长径比。Au/Ni-W修饰后的铜基微纳分级结构与SAC305焊球所形成的焊接界面嵌入效果好,没有任何孔洞存在,焊接界面平均剪切强度为43.06 MPa。结论铜基微纳分级结构插入焊球内部形成镶嵌,产生机械互锁,而Au/Ni-W合金修饰层能有效提高铜基微纳分级结构表面硬度,与锡焊料形成较大的硬度差,在插入式焊接中减少了孔洞的形成,焊接效果优良。Ni-W合金层的存在延缓了Cu-Sn之间的互扩散,阻挡了Cu-Sn金属间化合物的生长,减少了因界面失效而产生的可靠性问题。

镀银板表面粗糙度对纳米银焊膏快速烧结互连质量的影响

通过施加15 MPa的压力,在265℃空气气氛下使用预制完成的镀银板表面印刷纳米银焊膏组装的三明治结构制备烧结银连接层。研究了3种铜镀银板表面粗糙度对烧结银连接界面结合强度的影响。研究结果表明,烧结时间为8 min、镀银板算术平均表面粗糙度为1.630μm、最大粗糙度深度为12.030μm时,可以有效促使烧结银连接层与基板表面形成高强度的冶金连接和机械联锁,最终获得了61.09 MPa的高剪切强度,表明烧结银层与烧结界面的结合强度得到了较大提升。研究结果可为选择合适的基板粗糙度提供实验依据,从而获得高强度、高可靠性的低温快速烧结银互连接头。

“后摩尔时代”芯片互连方法简析

随着半导体制程接近工艺物理极限,半导体工业进入“后摩尔时代”,集成技术成为继续提高电子产品性能的重要途径。现存的实现高度集成的关键技术都对更小尺寸的连接提出了要求。同时随着连接尺寸的减小,封装体在连接工艺中受到的影响导致器件在使用温度下失效的问题越来越严重。封装内的互连部分是芯片热传导、电气连接的重要结构,也是器件失效的重要部位,在互连接头尺寸不断减小的背景下,互连部分的失效在器件整体失效的情况中占据着越来越重要的地位,研究高导热、低工艺影响的微纳连接技术有望解决高功率密度器件的可靠性问题。本文总结了微纳连接技术在新型焊料、能量传递方式两方面的发展,简单介绍了表面活化技术并讨论其应用在电子封装中的可能性,在此基础上讨论了微纳连接技术的发展方向。

纳米银焊膏贴装片式电阻的可靠性研究

采用纳米银焊膏对片式电阻进行表面贴装,并且通过加速老化试验模拟片式电阻焊点的服役环境,研究了不同的环境可靠性条件下焊点界面的显微组织演变以及力学性能的变化。结果表明,纳米银焊膏采用无压烧结工艺能够实现片式电阻的表面贴装。经过环境可靠性验证后,虽然片式电阻焊点横截面的显微组织出现粗化现象,剪切断口的塑性变形区域逐渐缩小,但是其力学性能仍然满足GJB548B一2005《微电子器件试验方法和程序》的规定。

高导热系数纳米银胶可靠性研究及应用

高导热系数的纳米银胶的可靠性研究及其应用引起了广泛的关注。回顾了近年来对纳米银胶的研究,并介绍了纳米银的制备、纳米银胶的可靠性研究及其应用。总结了有关纳米银胶存在的不足和未来的发展方向,希望为高导热系数纳米银胶的实际应用提供一些理论参考。

纳米锑掺杂对回流焊Sn-3.0Ag-0.5Cu-xSb焊点界面IMC生长的影响机理

研究了纳米锑掺杂对回流焊过程中Sn-3.0Ag-0.5Cu-xSb(x=0,0.2%,1.0%和2.0%)焊点界面金属间化合物(IMC)生长动力学的影响.借助扫描电镜(SEM)观察了焊点的微观结构,利用X射线能谱分析(EDX)及X射线衍射谱仪(XRD)确定了IMC的相和成分.结果表明,部分纳米锑颗粒溶解在富锡相中形成SnSb二元相,部分纳米锑颗粒溶解在Ag3Sn相中形成Ag3Sb相,剩余部分沉降在界面Cu6Sn5金属间化合物层表面.随着纳米锑含量的增加,IMC厚度减小.当纳米锑的含量为1.0%时,IMC厚度最小.通过曲线拟合,确定出界面IMC层生长指数和扩散系数.结果表明,IMC层生长指数和扩散系数均随着纳米锑含量的增加而减小.当纳米锑的含量为1.0%,IMC层生长指数和扩散系数均有最小值,分别为0.326和10.31×10-10cm2/s.由热力学相图和吸附理论可知,Sn,Sb元素之间易形成SnSb化合物,引起Sn元素的活性、Cu-Sn金属间化合物形成的驱动力和界面自由能下降,从而导致Cu6Sn5金属间化合物生长速率下降,抑制IMC生长.

纳米镍颗粒对无铅焊料低温钎焊性能的影响

采用SAC0307无铅焊料实现了Cu/Cu的低温互连,研究了纳米镍颗粒作用下SAC0307焊料接头的显微组织和力学性能。结果表明:SAC0307焊料接头界面IMC呈扇贝状,随着钎焊温度升高生长明显,240℃时焊料接头界面IMC厚度较210℃提高了22.59%;复合焊料接头界面IMC呈锯齿状、平整,界面IMC随温度升高厚度变化不显著;温度从210℃升高到240℃,焊料接头强度从24.03 MPa降低到18.10 MPa,再到17.54 MPa,最后又升高到25.54MPa,降幅最高达27.01%;复合焊料接头强度从32.48 MPa降低到27.32 MPa,再升高到28.65MPa,最后又降到26.54 MPa,降幅最高达18.29%;添加纳米Ni颗粒后,从210℃升高到240℃,焊料接头强度依次提高了35.16%、50.94%、63.34%和3.92%;220~230℃时焊料焊缝呈现脆断特征,210℃时焊缝内出现大小不一的韧窝;210~230℃时复合焊料焊缝中气孔等缺陷较少,焊缝密实,断口均为明显的韧性断裂,接头力学性能较未添加颗粒时得到明显提升。

纳米颗粒增强无铅复合焊料的研究现状

熔化温度、润湿性及长期使用过程中的可靠性决定了无铅焊料的应用范围。通过添加适量纳米颗粒可显著提高无铅焊料的性能,特别是添加适量纳米Ag颗粒后SnCu焊料蠕变断裂寿命是未添加时的13倍。介绍了添加纳米颗粒对无铅焊料的物理化学性能的影响;探讨了纳米颗粒增强无铅复合焊料微观结构和力学性能;展望了纳米颗粒增强手段对焊料应用的前景。

纳米颗粒复合钎料的研究进展

在钎料中引入适当的纳米颗粒,可以改善熔融钎料对母材表面的润湿性,细化钎料接头组织,抑制界面金属间化合物的生长,有效提高微型焊点的可靠性。介绍了纳米增强颗粒复合钎料的研究热点及制备方法,分析了纳米颗粒对钎料的熔点、润湿性、力学性能及界面IMC的影响,展望了纳米颗粒复合钎料在电子微连接技术中的应用前景。

电迁移对纳米石墨颗粒增强复合钎料接头组织的影响

研究了SnBi钎料和SnBi+Graphite复合钎料的电迁移性能。选取石墨含量为0.07wt%的SnBi复合钎料制成微型对接接头,选用5和10A两种电流水平及48、96和192 h三个时间水平,测试了Sn Bi钎料和SnBi+Graphite复合钎料的电迁移性能,借助于超景深显微镜对电迁移后试样的组织进行了观察,利用显微硬度对其力学性能进行了表征。实验结果表明:SnBi钎料在5A电流冲击下,晶粒首先在焦耳热的作用下粗化,随后在"电子风"的冲击下逐渐细化,从而硬度表现出先下降后上升的趋势;SnBi钎料在10A电流冲击下,由于电流较大,晶粒在"电子风"的冲击下逐渐细化,从而硬度表现出上升趋势;SnBi+Graphite复合钎料在5和10A电流的作用下组织和力学性能变化均不明显,主要是由于纳米石墨的加入提高了复合钎料的抗电迁移性能。

电迁移对石墨颗粒增强复合钎料接头组织的影响

研究了SnBi和SnBi+石墨复合钎料的电迁移性能,发现在SnBi复合钎料中添加石墨增强颗粒,导致该复合钎料的润湿性能降低,并且随着石墨含量的增加,其铺展系数越来越低。SnBi钎料在5A电流冲击下,晶粒首先在焦耳热的作用下粗化,随后在"电子风"的冲击下逐渐细化,从而硬度表现出先下降后上升的趋势。SnBi钎料在10A电流冲击下,由于电流较大,晶粒在"电子风"的冲击下逐渐细化,从而硬度表现出上升趋势。SnBi+石墨复合钎料在5和10A电流的作用下组织和力学性能变化均不明显,主要是由于石墨的加入提高了复合钎料的抗电迁移性能。

微焊点纳米压痕循环力学行为与承受载荷的关联性

通过对Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu和Sn-0.3Ag-0.7Cu/Cu微焊点进行循环加载—卸载方式的纳米压痕试验,研究了焊点循环力学行为与承受最大载荷的关联性.结果表明,循环F-h曲线在闭合前表现为1个迟滞回环,随着最大载荷的增加,焊点迟滞回环的面积和残余压痕深度增大;当最大载荷一定时,迟滞回环的面积及残余压痕深度增量随着加载次数的增加逐渐减小;微焊点的压痕蠕变C随最大载荷的增大而不断降低,同时随加载次数的增加先急剧减小而后逐渐趋于平稳.Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu焊点的压痕蠕变低于Sn-0.3Ag-0.7Cu/Cu焊点的蠕变量.

纳米Ni颗粒对Sn0.65Cu亚共晶钎料润湿性和抗氧化性的影响

在Sn0.65Cu亚共晶钎料中掺入纳米Ni颗粒,研究其对钎料润湿性及抗氧化性的影响。当w(Ni)=0.1%时润湿力最大,为3.29mN,润湿时间为1.01s。随着Ni含量的增加(w(Ni)<0.7%)润湿力逐渐减弱,润湿时间增加。纳米Ni颗粒会增强钎料的抗氧化性,当w(Ni)=0.7%时抗氧化性最好。

Sn3.5Ag无铅纳米粒子的熔点降低及组织研究

纳米粒子由于尺寸效应,可导致其熔点降低。对于无铅焊料而言,熔点的降低将减少因高熔点无铅焊料的使用而带来的封装过程的缺陷。通过电弧法制备了Sn3.5Ag合金的纳米粒子。X射线衍射(XRD)及能谱(EDS)测试结果证明,母合金及所制备的纳米粉末中,都形成了金属间化合物Ag3Sn相,说明该制备过程的合金化完全。SEM二次电子像和TEM明场像结果说明所制备的纳米粒子呈球状,且尺寸均在50 nm以下,部分甚至小于10 nm。差示扫描量热仪(DSC)的测试结果证实所获SnAg纳米粒子的平衡熔点约为198.6℃,较之块状样品的平衡熔点(221℃)降低约22℃。说明采用纳米技术可以获得低熔点的Sn基纳米无铅焊料,是很有潜力的获取低熔点无铅焊料的技术途径。

微纳连接技术研究进展

近年来,集成电路不断向短小轻薄的高集成方向发展,推动着器件封装尺寸不断缩小,也使器件封装结构发生着改变.同时,作为信息革命的重要组成部分,集成电路技术往往涉及到多个领域的交叉和相互渗透,如微机电系统、精密仪表以及柔性器件等,而作为电子元器件封装中的关键技术,微纳连接技术的发展直接关系到电子工业中新型封装结构的研发与技术革新.因此,集成电路中微纳连接技术的发展也与多个技术领域密切相关.本文针对电子组装中微连接技术进行归纳和总结,并阐述纳米连接技术所取得的最新研究进展.通过总结微纳连接技术在不同互联尺度下的研究与应用现状,明确了微纳连接技术在电子工业领域中的重要作用,也为目前和未来的相关研究工作提供参考方向.

纳米Ni颗粒增强无铅Sn-Cu-Ag复合钎料搅拌辅助低温钎焊技术

采用搅拌辅助低温(半固态区间)钎焊技术,制备低银无铅钎料和纳米复合钎料钎焊接头。结果表明:240℃时复合钎料的润湿时间较基体的润湿时间缩短了31%,润湿力较基体的提高了3.8%;机械搅拌在破碎树枝晶和加速元素扩散的同时,降低了液相的温度梯度和成分过冷,大大削弱了钎料基体中金属间化合物(IMC)Cu6Sn5的枝晶生长,促使针状Cu6Sn5破碎呈短棒状;在低银无铅钎料中加入纳米Ni颗粒,Ni与Cu6Sn5生成孔洞状化合物(Cux Ni1-x)6Sn5及低温搅拌形成的气孔成为界面原子的扩散通道。搅拌形成的紊流和热流传递加快了原子的溶解与扩散,加速了界面IMC的生长。

碳纳米管增强TiNi复合钎料的制备与表征

针对CNTs增强TiNi复合钎料制备中存在CNTs的均匀分散性差、结构完整性差、碳基团与基体易反应而导致基体材料污染等问题,采用PECVD方法低温原位在Ni-TiH2基体上制备CNTs/TiNi复合钎料,采用XRD,SEM,Raman,TEM等对制备的复合钎料进行表征与分析.结果表明,该方法不仅保证了复合钎料中CNTs的结构完美和均匀分散性,而且保证了TiH2不会因温度过高分解,避免了复合钎料体系中钛与碳之间反应,真正意义上实现了CNTs对TiNi复合钎料的强化.通过复合钎料中CNTs的增强效果,缓解钎焊接头的残余应力,提高钎焊接头的力学、热学及高温性能,可实现陶瓷、复合材料与金属复合构件的可靠连接及高温使用.

纳米压痕法测量SAC305焊料的力学性能

高密度电子器件的发展使得BGA封装逐渐成为主流封装形式,焊点作为BGA封装中最脆弱的连接部位,其力学性能参数对于器件可靠性设计至关重要。鉴于焊料力学性能测试中存在尺寸效应,采用纳米压痕测试技术提取了BGA封装中广泛使用的SAC305无铅焊料的力学性能参数。由压痕过程中得到的载荷-位移曲线获得了焊料的杨氏模量、硬度和蠕变应力指数,分别为62.43 GPa,198.88 MPa和14.51。另外,采用反演法和有限元模拟结合的方式研究了焊点屈服应力和应变硬化指数与加载曲线拟合方程的关系,提出了一种能更好地反演屈服应力的公式,并由此得出SAC305焊料的屈服应力为43.9 MPa,应变硬化指数为0.05。

纳米颗粒增强SAC0307锡膏焊点的分析

研究了纳米颗粒添加对低银SAC0307锡膏焊点显微组织和力学性能的影响.结果表明,添加纳米铜颗粒的焊点钎料共晶区中岛状Cu_6Sn_5相尺寸大、且难于弥散分布,添加量超过0.3%时,Cu_6Sn_5相极易在液/气界面聚集、合并和长大,导致钎料流动性变差、锡膏中助焊剂气体难于逸出而形成气孔.而添加0.1~5.0%纳米银颗粒的焊点均无气孔产生,其焊点钎料中的Ag3Sn相尺寸小易于弥散分布,且β-Sn初晶相细化明显.随纳米银添加量的增加,焊点抗剪强度先增加后降低,0.5%添加量时抗剪强度最大、较相同条件下的SAC0307焊点提高了30.8%.