SAC305-X復(fù)合釬料性能及電熱遷移行為研究.pdf

1、由于鉛元素對(duì)環(huán)境和人體健康具有危害性,目前主流電子封裝材料基本實(shí)現(xiàn)無鉛化。作為電子封裝中的主要連接材料,無鉛釬料已經(jīng)廣泛應(yīng)用在電子產(chǎn)品中。另一方面，由于封裝密度越來越高，電子產(chǎn)品的中互連焊點(diǎn)的尺寸也大幅降低；焊點(diǎn)中的電流密度將達(dá)到104A/cm2，最大溫度梯度可達(dá)1000K/cm-3000K/cm。在這種情況下，現(xiàn)有無鉛釬料焊點(diǎn)的機(jī)械性能和抗蠕變性能在備受挑戰(zhàn)的同時(shí)，電遷移（EM）和熱遷移（TM）也會(huì)在焊點(diǎn)內(nèi)部造成小丘、裂紋以及相偏析等

2、問題從而嚴(yán)重威脅焊點(diǎn)服役期間的可靠性。研究表明釬料的復(fù)合化是優(yōu)化焊點(diǎn)微觀組織并改善其服役性能的有效途徑，然而，復(fù)合化無鉛釬料合金的性能研究尚不全面，而其在特殊服役條件下的可靠性研究仍不多見。因此，針對(duì)無鉛復(fù)合釬料的基本組織性能以及其在大電流密度以及大溫度梯度等服役條件下的可靠性問題開展研究對(duì)于未來無鉛復(fù)合釬料的推廣使用有重要的理論和工程實(shí)際意義，本論文的主要工作如下：
　　以96.5Sn-3Ag-0.5Cu（SAC305）釬料釬料

3、為基體材料，選用富勒烯（FNS）納米顆粒、碳化鈦（TiC）納米顆粒以及鍍鎳石墨烯（NG）顆粒作為增強(qiáng)相通過粉末冶金法制備了三種復(fù)合釬料釬料。FNS和 TiC能夠有效細(xì)化β-Sn和 Ag3Sn相；添加 FNS，Cu/釬料界面金屬間化合物（IMC）的晶粒由圓形顆粒狀變?yōu)槎噙呅晤w粒狀，添加TiC和NG，界面IMC晶粒形貌則變?yōu)橄嗷ソ诲e(cuò)生長的多邊形柱體晶粒；添加適量的增強(qiáng)相能在不顯著影響釬料熔點(diǎn)和電阻率的同時(shí)改善釬料合金在銅基底表面的潤濕性并有

4、效降低釬料合金的熱膨脹系數(shù)（CTE），提高釬料合金的熱-機(jī)械穩(wěn)定性；第一次回流后，F(xiàn)NS和TiC損失率高達(dá)80％，而NG的損失率約40%。
　　研究了三種復(fù)合釬料在150℃恒溫老化條件下的微觀組織和機(jī)械性能演變過程。研究表明三種增強(qiáng)相均能有效抑制界面Cu6Sn5和Cu3Sn IMC在熱老化條件下的生長；當(dāng)增強(qiáng)相為TiC時(shí)，初始界面 IMC“多孔”結(jié)構(gòu)在老化過程中逐漸密實(shí)；熱老化前后焊點(diǎn)基體組織觀察結(jié)果表明，F(xiàn)NS和TiC能有效抑制

5、老化過程中Ag3Sn相和Cu6Sn5相的粗化，而在有 NG增強(qiáng)相的釬料基體中形成了大量彌散分布的(Cu, Ni)6Sn5 IMC且這些 IMC的數(shù)量和體積隨老化時(shí)間增加而增加；通過對(duì)熱老化前后焊點(diǎn)機(jī)械性能的研究發(fā)現(xiàn)，三種增強(qiáng)相均能改善焊點(diǎn)在熱老化期間的機(jī)械性能下降，其中 TiC增強(qiáng)相在提高釬料合金的硬度方面效果較好而 NG增強(qiáng)相則在改善釬料合金剪切強(qiáng)度方面表現(xiàn)突出。
　　研究了釬料焊點(diǎn)在1.5×104A/cm2電流密度下的微觀組織

6、和機(jī)械性能演變。研究表明加載360小時(shí)后，SAC焊點(diǎn)陽極界面 IMC層突起約0.42μm，而三種復(fù)合釬料焊點(diǎn)表面則較為平整；電流加載期間，SAC試樣陽極側(cè) IMC持續(xù)增厚，陰極側(cè)先增厚后減薄并出現(xiàn)了非連續(xù)的孔洞缺陷，而三種復(fù)合釬料陰極和陽極的IMC層均隨加載時(shí)間增加而增厚，其中陽極的生長速率高于陰極； TiC和 NG增強(qiáng)相的添加能顯著抑制Cu3Sn IMC層在該加載條件下的生長；加載后納米壓痕測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)， SAC焊點(diǎn)中硬度沿陽極到陰極

7、梯度方向逐漸降低，而 SAC/FNS和 SAC/NG試樣焊點(diǎn)的硬度值分布較為均勻；加速失效壽命測試結(jié)果表明添加適量FNS和NG能夠?qū)AC釬料合金在實(shí)驗(yàn)條件下的失效壽命分別提高約7.6%和10.4%。
　　研究了釬料焊點(diǎn)在約1155K/cm溫度梯度下的熱遷移行為。研究表明外部增強(qiáng)相的添加能夠有效避免界面Cu3Sn IMC在熱加載期間的擠出現(xiàn)象；SAC焊點(diǎn)冷端界面IMC隨加載時(shí)間急劇增厚，熱端界面則在加載后期出現(xiàn)了孔洞裂紋等嚴(yán)重破損

8、，而三種復(fù)合釬料焊點(diǎn)冷熱端界面均呈現(xiàn)厚度增加的趨勢，各復(fù)合釬料焊點(diǎn)在熱加載期間的IMC界面也相對(duì)完整；600小時(shí)加載后，SAC焊點(diǎn)內(nèi)部形成了大量孔洞和裂紋和大塊Cu-Sn IMC，而復(fù)合釬料焊點(diǎn)內(nèi)部雖然也發(fā)現(xiàn)IMC和部分孔洞，但其結(jié)構(gòu)完整性相對(duì)更好；熱加載期間銅原子向焊點(diǎn)中的擴(kuò)散速率約為3.1×10-6 g/h，而三種增強(qiáng)相的添加均能在不同程度上降低這一速率；熱加載后， SAC焊點(diǎn)中硬度從熱端到冷端逐漸升高，而不同增強(qiáng)相的添加則能改變熱