汽车电子用焊料的服役行为研究

发布时间：2020-04-29 12:57

【摘要】：随着电子产品不断向微型化以及高性能方向发展,电子封装密度逐渐增大。焊料凸点的尺寸和焊点间节距逐渐减小,导致无铅焊料连接的可靠性问题变得越来越突出。尤其随着自动驾驶技术的发展,汽车电子的可靠性逐渐成为开发者关注的重要问题。另一方面,焊料凸点的尺寸的降低引发一系列电迁移问题。因此评价高可靠性焊料在高温服役下的可靠性,以及抗电迁移性能变得十分必要。本文以IA和MB两种新型汽车电子商用高可靠性焊膏为研究对象,并以常用的Sn3.8Ag0.7Cu(SAC387)和Sn3.0Ag0.5Cu(SAC305)无铅焊膏作为对比,主要从以下三个方面开展研究工作:(1)研究高可靠性合金IA与Cu基板的界面反应,以SAC305为对比,通过对界面化合物的生长方式、速度研究回流时间对界面化合物厚度的影响,优化回流工艺。(2)研究三种无铅焊膏互连焊点回流焊后其焊点组织及界面化合物(intermetallic compound,IMC),以及高温存储(老化)后其焊点微观组织变化规律及界面IMC生长规律及机理。(3)研究互连焊点的抗电迁移性能,通过对其化合物生长方式、阴极孔洞的观察,探究添加元素对互连焊点抗电迁移性能的影响。IA和SAC305焊料与Cu基板在250℃下的回流反应后界面IMC分别由(Cu,Ni)6Sn5和Cu6Sn5组成。IA界面IMC厚度均大于SAC305焊点中界面IMC的厚度。回流时间为5s时,IA焊料与Cu反应不充分,有部分Sn残留在界面IMC内部导致IMC不致密,部分(Cu,Ni)6Sn5呈现出树枝状指向焊料内部。随着回流时间的增加,界面化合物的厚度随回流时间的增加而增加,IA界面IMC变得致密,枝状的界面IMC会脱离界面,剥离到焊点内部,导致界面IMC厚度有所降低。在150℃下高温存储不同时间发现,随着热时效时间的增加,化合物厚度增加,IA焊点中Cu3Sn的厚度生长得到明显抑制,其厚度低于SAC305焊点。IA焊点中偏聚的Bi元素随着热时效的进行而弥散分布在Sn基体中。对使用SAC387的WLCSP互连焊点在125℃、150℃、175℃进行高温存储实验后,开展了焊点中界面化合物生长及柯肯达尔(kirkendall)孔洞的研究。结果表明,对于IA和MB焊料回流后焊点界面化合物为(Cu,Ni)6Sn5,焊点内部为β-Sn、板条状Ag3Sn以及Sn与小颗粒Ag3Sn组成的共晶组织。其中Bi元素弥散分布在Sn基体中,Sb元素在(Cu,Ni)6Sn5中用EDS可以检测到,其含量在1.2at%～1.8at%之间。而在SAC387焊点中界面化合物为Cu6Sn5,焊点内部为β-Sn、板条状Ag3Sn以及Sn与小颗粒Ag3Sn组成的共晶组织。随着时效时间的增加,界面IMC厚度增加。其中IA和MB界面IMC增长速度要小于SAC387。并且在Cu6Sn5/(Cu,Ni)6Sn5与Cu基板之间出现Cu3Sn,在Cu3Sn内部生成kirkendall孔洞,kirkendall孔洞数量也随着时效时间的增加而增加。随着时效温度的提高,界面IMC生长速度提高,kirkendall孔洞数量也明显增多。其中IA和MB界面IMC增长速度要小于SAC387,Cu3Sn内的kirkendall孔洞数量也要小于SAC387。经过对三种焊点界面IMC的扩散激活能的计算,SAC387扩散激活能最小,为66.8KJ/mol,IA的扩散激活能最大,为106.8KJ/mol,而MB的扩散激活能为89.26KJ/mol,扩散激活能越大说明IMC生长速度越小。另外,IA和MB焊点中的晶粒取向较为一致,而SAC387焊点中晶粒取向差别较大。电迁移对IA、MB和SAC387焊点的影响研究结果表明,三种焊点在电迁移过程中均表现出极性效应,即阳极化合物增厚,阴极化合消耗。其中IA焊点和MB焊点阳极化合物增长的速度大于SAC387焊点,而阴极消耗的速度低于SAC387焊点。随着电迁移的进行,IA和MB焊点中的Bi元素偏聚在阳极界面处。综合电迁移的时间以及阴极裂纹宽度和阳极化合物增长速度来看,IA和MB两种焊料的抗电迁移性能不如SAC387焊料。
【图文】：

半导体封装,微电子器件,钎焊,钎料

全、更好也更为庞大复杂的组装技术，也是把二级封装后的各个插板或插卡再共同插装逡逑在一个更大的母版上构成的，这实际上是一种立体组装技术。它也涉及一些研究内容，，逡逑主要是信号传输和电磁兼容。以上四个等级的关系可以在图１．１中体现出来。逡逑８ＧＡ逡逑ＢｕｔｔＰＧＡ逦＾逡逑ＰＬＣＣ邋一、逡逑X滃澹雹牵危茫茫缅五五五义希铮螅椋蓿妫妫襄濉义希阱危掊澹模桑绣澹酰蝈濉狽B逡逑—时ｇ）邋Ｑｓｗｆｇ）邋＾逦＾逦０＞ｐ逡逑ｔ0－邋９邋Ｑ邋＾逦＠）逡逑’逦％邋子邋Ｗ逦１邋Ｔｒ邋Ｉ邋１Ｃ邋｜邋ＬＳ？邋｜邋ＶＬＳＩ邋［邋ＶＬｓＴ逡逑１９５０逦Ｉ９６０逦１９７０逦１９８０逦１９９０逦２０００逡逑年份逡逑图１．２半导体封装的种类、特征随时间的变迁ｍ逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋ＩＣ邋ｐａｃｋａｇｅ邋ｈｉｓｔｏｒｙ邋ａｎｄ邋ｔｒｅｎｄｓ邋［１］逡逑在二级封装中，最重要的一道工序就是钎焊，微电子器件几乎都是靠钎料焊接到逡逑ＰＣＢ板上的。目前主要使用通孔插装技术（Ｔｈｒｏｕｇｈ邋Ｈｏｌｅ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）和表面安装技术逡逑（Ｓｕｒｆａｃｅ邋Ｍｏｕｎｔ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ），另外，一级封装中使用较多的是倒装技术（Ｆｌｉｐｃｈｉｐ）。逡逑随着电子产品的小型化，球栅阵列封装（Ｂａｌｌ邋Ｇｒｉｄ邋Ａｒｒａｙｓ）的应用也逐渐增加，导致焊逡逑料凸点尺寸逐渐降低，这对微电子钎焊提出了更高的要求。并且集成电路封装形式出现逡逑了巨大的变革，如图１．２所示。随着微电子封装的发展，球栅阵列封装ＢＧＡ邋（Ｂａｌｌ邋Ｇｒｉｄ逡逑Ａｒｒａｙ）

微观组织结构,焊料

邋？逦ｙ邋＇逡逑ｍａｍｍ逡逑图１．４Ｓｎ－５８Ｂｉ焊料的微观组织结构逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｅｕｔｅｃｔｉｃ邋Ｓｎ－５８Ｂｉ逡逑１．３．邋３．邋３邋Ｓｎ－９Ｚｎ邋无铅焊料逡逑Ｓｎ－９Ｚｎ无铅焊料是共晶成分，其熔点为１９９°Ｃ，非常接近Ｓｎ－Ｐｂ共晶合金的熔点，其逡逑典型的微观组织如下图１．５所示［４Ｇ】。共晶组织由两相组成：体心四方的Ｓｎ基体相和含有逡逑不到１９ｘｖｔ．％Ｓｎ的密排六方Ｚｎ的固溶体。当冷却速度过快时，凝固后的组织显示出大晶粒，逡逑并且形成均匀的两相共晶区。Ｓｎ－９Ｚｎ焊料价格非常便宜，机械性能良好，材料的拉伸强逡逑度较高但塑性不太好［４Ｍ３］。在Ｓｎ－Ｚｎ系焊料中，Ｓｎ和Ｚｎ均能与Ｃｕ反应生成金属间化合物逡逑［４４］。由于Ｚｎ的化学性质比较活泼，容易氧化腐蚀，使得该焊料的润湿性和抗氧化性极差逡逑［４５＿４７］，在波峰焊时有过多的氧化浮渣产生，因此必须在氮气等惰性气氛中进行。研宄表逡逑明，通过添加Ｂｉ、Ｉｎ、稀土元素Ｃｅ、Ｌａ等可以明显提高焊料的润湿性能逡逑图１．５Ｓｎ－９Ｚｎ焊料的微观组织结构［４０］逡逑１０逡逑
【学位授予单位】：大连交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG42

【参考文献】