无铅焊点热疲劳再结晶微观机理研究

发布时间：2020-05-26 13:31

【摘要】：随着信息时代和人工智能日新月异的发展,以及人们对新一代产品功能更高层次的要求,使得电子封装不断朝着小型化、轻型化和多能功能化方向发展。而焊点作为封装体中重要的机械连接和信号传输结构,是影响整个电子封装系统乃至整个设备可靠性的重要环节之一。通常情况下,在服役过程中,随着焊点尺寸的不断减小,使得焊点产生的焦耳热逐渐增加。并随着设备的频繁开关以及各元器件的服役环境不稳定等因素,焊点将长期服役于热疲劳状态。经研究表明,在热疲劳状态下,焊点可通过亚晶旋转的连续再结晶机制在其内部产生再结晶,并使焊点的再结晶区域组织弱化,且裂纹易于在再结晶晶粒间萌生并扩展,甚至贯穿整个焊点形成沿晶断裂而使焊点失效。然而,针对无铅焊点热疲劳再结晶的研究并没有指出晶体取向演变与裂纹萌生扩展之间的关系,也没有明确说明无铅焊点发生热疲劳再结晶时亚晶旋转的具体方式,甚至在无铅焊点热疲劳再结晶机理的研究中,没有清晰地阐述亚晶旋转中亚晶的形成过程以及再结晶晶粒细化的原因。基于以上问题,针对市场以及工业上应用最多的Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料为研究对象,加之以中空式陶瓷球栅阵列的封装结构,开展了热疲劳条件下无铅焊点再结晶微观机理的研究。首先通过准原位SEM显微组织观察和EBSD观察相结合的方法,阐述了无铅焊点热疲劳过程中裂纹萌生扩展与晶体取向演变之间的关系。其次通过准原位EBSD观察,揭示了热疲劳条件下无铅焊点再结晶初期的亚晶旋转行为,并建立了亚晶旋转行为与位错滑移之间的关系。最后通过HRTEM观察阐述了无铅焊点热疲劳再结晶位错增殖和晶粒细化的微观过程。通过以上研究,为进一步提高无铅焊点的热疲劳可靠性奠定了理论基础。通过研究发现,Sn基无铅焊点在热疲劳过程中,由于BGA封装中芯片的刚度远大于PCB而使芯片侧的焊点内易于产生塑性变形和局部再结晶,成为裂纹萌生和扩展的主要区域。在热疲劳过程中,当重熔状态的晶体取向演变为小角度取向差时裂纹可以在焊点内萌生并扩展;且裂纹萌生时晶体取向的演变并未因为裂纹的产生而终止,即热疲劳过程中裂纹的萌生与扩展和亚晶旋转机制控制的取向演变过程是同时进行的。结合微观表征手段与滑移迹线分析法,阐述了Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点热疲劳再结晶初期的亚晶旋转机制。相同亚晶热疲劳过程中受同一激活的滑移系影响而导致以相同的旋转方式旋转,而不同亚晶因受力环境不同导致以不同旋转方式旋转。本课题提出了一种确定滑移系的方法,首先通过亚晶旋转行为确定了无铅焊点在热疲劳过程中可能开动的滑移系族。其次根据滑移迹线分析方法,确定可能开动的滑移系,最后对以上获得的滑移系取得交集以确定热疲劳过程中开动的滑移系,且以此方法建立了Sn基无铅焊点热疲劳条件下亚晶旋转和滑移系之间的关系。热疲劳过程中,亚晶是通过位错不断增殖和塞积形成小角度晶界而形成的。通过采用HRTEM观察,观察到了无铅焊点内的位错形态,主要是以大量位错团聚成点状缺陷的形式存在。通过HRTEM观察和采用KAM法详细表征了无铅焊点热疲劳过程中位错密度的演变规律,结果表明回复区的位错密度远高于未再结晶区和再结晶区。在具有高位错密度的回复区内存在有序循环结构的小角度晶界,表明焊点内小角度晶界的形成与位错塞积相关。在已发生再结晶的区域内也发现了小角度晶界,表明产生小角度晶界并分割再结晶晶粒是再结晶晶粒普遍细小的原因。结合亚晶旋转与形成机制提出了基于亚晶界分割晶粒的Sn基无铅焊点热疲劳再结晶机理,即:热疲劳条件下,在再结晶初期,Sn基无铅焊点由于封装体之间CTE不匹配而产生循环的应力应变,致使焊点内位错增殖并逐渐运动;当位错运动受阻塞积后形成小角度晶界;小角度晶界数量随热疲劳周数的增加而逐渐增加,且晶界度数也不断增加,小角度晶界的交汇形成了大量的亚晶粒;亚晶粒通过由位错运动引起的晶体取向演变(即亚晶旋转机制)而逐渐转变为再结晶晶粒;而产生细小再结晶晶粒是新生成的小角度晶界不断分割再结晶晶粒或者再结晶晶粒的结果。
【图文】：

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成电路（Integrated Circuit, IC）是电子系统的核心部分，而完整的电子过不同级别的封装将集成电路与其他电子元器件在印刷电路板上进行互连[1]。不同形式的电子封装承担着信号运输、电力分配、热量耗散以持与保护等作用。因此，不同形式的电子封装也有不同的层级，如一级半导体芯片上的内部连接；二级封装是指将半导体采用陶瓷等材料进行封装是指实现半导体封装与电路板（PrintedCircuitBoard,PCB）的连接级封装和二级封装之后，所形成的电子封装将通过钎焊等手段与电路板形成三级封装（如图 1-1 所示）[2]。钎焊焊点作为电路的重要连接部寿命与整个集成电路的使用寿命息息相关，影响着集成电路的工作，成电路中最重要的部分。随着电子封装技术的快速发展，封装密度逐渐增量急剧增加，尤其是球栅阵列（Ball Grid Array, BGA）形式的电子封包含大量微米级的焊点，因此在严峻环境中服役时，某一个焊点的失效个封装的失效，进而导致集成电路的失效，使电子产品停止工作。这种效可能带来经济上无法弥补的损失，，甚至对人身安全造成严重的危害

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展[5, 6]，结果使得电子封装中互连焊点尺寸逐渐减小，并伴随着电子封装服役过程中引起单个焊点所承受的电流密度不断增加，结果导致芯片或者元器件因焦耳热的产生而热量逐渐增加[6-8]。这种焦耳热的产生首先将焊点置于较高温度的老化状态，焊点易于在应力作用下在金属间化合物（Intermetalliccompounds, IMCs）界面产生裂纹，其次电子设备在使用中存在频繁启动现象，这将使电子封装处于温度变化的热疲劳状态，严重影响电子封装的使用寿命。况且，随着工业化和信息化的发展，电子元器件已经广泛应用于新能源汽车、通讯、航空航天等诸多领域，对于互连焊点来讲，其服役的环境变得前所未有的苛刻。目前电子产品中的无铅焊点不仅服役于单一的力、热、电场环境中，甚至服役于耦合场的环境中，使得焊点更容易在复合场下失效，由此需要进一步提高焊点的可靠性[9]。针对目前的大型或复杂的电子产品来讲，其互连焊点不计其数，然而任何一个焊点失效都可能造成设备的停滞，或造成重大的经济损失，因此互连焊点可靠性在一定程度上决定了整个产品的使用寿命[10]。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN405;O783

【参考文献】