稀土及Ga对Sn-Ag-Cu低银钎料组织及性能的影响

发布时间：2020-07-03 01:06

【摘要】：Sn-3.0Ag-0.5Cu、Sn-3.8Ag-0.7Cu钎料是当前微电子互连产品中最常用的无铅钎料合金,但由于该合金中贵金属Ag含量较高,导致其成本较高。在目前电子产品发展速度加快,更新换代周期不断缩短的背景之下,如何降低钎料合金的成本,进而电子产品的制造成本、从而提高电子产品的竞争力已经成为研究的热点和难点。但是Ag含量的大幅降低,使得“低银”Sn-Ag-Cu钎料合金的润湿性能、焊点可靠性等性能下降,影响了其推广应用。本文通过在Sn-0.3Ag-0.7Cu(SAC0307)、Sn-0.5Ag-0.7Cu(SAC0507)合金中加入稀土元素Nd、Pr和稀有元素Ga,系统、深入地研究了其对SAC0307、SAC0507合金的显微组织、钎焊性能、焊点力学性能的影响。首先,通过研究加入0.025、0.05、0.1、0.25以及1wt.%的Nd和Ga后低银钎料合金显微组织、熔化特性、力学性能的变化,得到了微量稀土Nd/Pr和Ga对低银合金钎料SAC0307、SAC0507(SAC-xNd合金、SACP-yGa合金)的影响规律。研究发现,当Nd的加入量为0.1 wt.%、而Ga的加入量为0.5 wt.%时,SAC0307、SACP0507钎料具有最佳的综合性能。进一步研究发现,稀土元素Nd的加入量在0.05~0.1wt.%范围时,可以显著降低SAC0307合金的凝固过冷度△T,过冷度降至约原合金的1/4。其次,基于低银钎料合金的力学性能表现出的速率相关性,以SAC-xNd合金为重点,研究了应变速率(1?10~(-4)s~(-1)、1?10~(-3)s~(-1)、1?10~(-2)s_(-1)、1?10~(-4)s~(-1)、6.7?10~(-4)s~(-1))、温度载荷(28~oC、80 ~oC、120 ~oC、180 ~oC)对SAC-xNd合金拉伸变形行为的影响,进一步阐述了xNd对合金力学响应影响的内在机制。研究结果表明:SAC-0.1Nd合金钎料的应变速率敏感指数m值最大,具有最佳的抗颈缩能力,最小的激活能值(45.3 KJ/mol),并表现出较高的强度与塑性。再次,将钎料合金置于大气条件下、加热到245℃进行液态氧化,研究了Nd和Ga的加入对钎料合金抗氧化能力的影响。结果表明:微量Nd和Ga元素加入可以显著提高合金的抗氧化能力。理论分析表明:这是由于Nd、Ga在液态金属表面的“富集作用”,在金属表面生成一层致密的(Sn,Ga/Nd)O复合氧化膜,从而阻止了氧化的继续进行。进一步研究发现,当Ga含量达到0.5wt%或Nd达到0.1wt%时,钎料合金的抗氧化性能最好,在铜板上的润湿性能最佳。最后,基于微焊点是互连结构的载体,在研究确定了钎料合金最佳化学成分的基础上,进一步研究了时效存储对钎料合金焊点的力学性能的影响。研究了不同含量稀土Nd/Pr和Ga混合添加对回流焊以及时效条件下SAC微焊点抗剪强度的影响,并对时效过程中SAC-xNd、SACP-yGa/Cu焊点组织演变规律进行了深入研究,阐明了Nd和Ga的添加对SAC焊点力学性能以及组织的演变规律。综合研究结果表明,微量Nd、Ga元素的添加不仅可以提高低银SAC微焊点抗剪强度,还可以提高低银SAC钎料焊点的可靠性,同时添加Pr、Ga亦得到了相似效果。在150℃时效过程中,焊点力学性能虽然随着时效时间的增加呈现下降趋势,但是仍然高于未添加Nd和Ga元素的低银SAC微焊点抗剪强度。经过成分优化研发的Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.1Nd、Sn-0.5Ag-0.7Cu-0.05Pr-0.5Ga钎料可以替代含银3.0wt.%、3.8wt.%的Sn-3.0Ag-0.7Cu、Sn-3.8Ag-0.7Cu钎料,具有良好的应用前景。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG425
【图文】：

示意图,倒装芯片,BGA焊点,焊点

图 1.1 倒装芯片焊点与 BGA 焊点示意图[7]通孔技术（Through Silicon Via, TSV）和铜柱凸点技术、微凸点技术的主要方式。如图 1.2 所示为 Ankor 公司发布的采用微铜柱互连实现凸点的优点在于：（1）热导率高；（2）凸点尺寸精确、刚度好；（3）优点。而图 1.3 则展示了为由 Qualcomm 与 Ankor 发布的通过硅片存储微 MPGA 封装结构示意图，该结构的特点是通过硅片上直接打片之间的直接连接。具有连接路径短、信号延迟少、精度更高等特点的直径尺寸到 10 微米左右，依然可以采用锡互连技术实现芯片与接。论述可知，倒装芯片以及凸点（焊球、铜柱）阵列，或 TSV 封装为成可焊的阵列凸点、或是形成具有柔性连接作用的微锡层是封装技锡层的回流，锡钎料与焊盘金属发生冶金反应产生金属间化合物yer, IMC）来形成连接，进而实现元器件等与电路板之间的相互连接了利用倒装芯片技术与 BGA 球栅阵列技术构成的互连焊点。在电

铜柱,封装形式,阵列,焊点

南京航空航天大学博士学位论文，60%以上的器件失效原因都是由于焊点的失效引起的整体失效[8]。因是整个封装体的薄弱环，往往利用焊点的寿命来代替封装体的寿命研究

【参考文献】