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BGA结构Sn3.0Ag0.5Cu焊点剪切断裂行为及体积效应的有限元模拟与实验研究

夏建民  
【摘要】:随着电子产品的不断小型化,细小间距互连及高密度封装技术得到快速发展,相应的互连焊点的体积也在逐步减小。然而,焊点尺寸不断减小时其显微组织和力学性能等均会发生改变,呈现出明显的焊点体积(或尺寸)效应。因此,研究焊点体积减小引起的显微组织和力学性能的变化规律(即焊点体积效应)就显得尤为重要。实际工作条件下的互连焊点主要承受由不同材料热膨胀系数不匹配而引起的剪切应力,因而剪切测试更能反映实际焊点的载荷条件以及失效机理。本文采用二维有限元模拟与实验对不同体积(高度)的BGA结构Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点在剪切载荷下裂纹的萌生与扩展、断裂路径及断裂机理进行了深入研究,分析了焊点体积(高度)对其二次回流界面IMC生长及其演化、断裂强度、断口形貌及断裂机理的影响。 首先,本文根据回流前后钎料体积保持不变的假设并结合最小能量法,提出了一种简单的回流后焊点外形计算方法,并以焊点高度为0.30 mm及回流前所用焊球直径为0.60 mm为基准,计算出不同焊点高度(即0.10、0.15、0.20、0.30和0.50 mm)互连焊点的外形参数以及所需的焊球大小。根据计算结果,采用合理的回流工艺,制备出不同体积(高度)的BGA结构焊点试样,并建立了相应的有限元模型。 然后,研究了焊点二次回流界面IMC的生长及演化过程。研究结果表明:界面IMC的厚度随焊点高度的降低而增加,且钎料体内的组织趋于细化。经125℃时效1000小时后,界面IMC厚度增加,Cu/Cu_3Sn和Cu_3Sn/Cu_6Sn_5界面以及Cu_3Sn和Cu_6Sn_5层中出现Kirkendall空洞,且空洞密度随焊点高度降低而增大。 采用动态力学分析仪(DMA)测试了不同体积焊点的剪切强度,并采用SEM分析了断口形貌。研究结果发现,焊点经时效后剪切强度有所下降;在剪切力作用下未时效焊点中裂纹主要在Cu_6Sn_5/钎料界面的近界面的Cu_6Sn_5内萌生,并迅速向钎料体内扩展;然而经125℃时效1000小时后焊点中裂纹主要在Cu_3Sn/Cu界面萌生,并在IMC内扩展一定区域后转移至钎料体内扩展,焊点高度越高则在IMC内的扩展区域越大。 采用有限元法方法模拟研究了焊点的变形行为。研究结果表明,焊点的断裂路径与高Von Mises塑性应变带分布特性一致。不同高度的焊点其平均弹性、塑性及剪切应变均小于名义变形。在小应变(5%以下)情况下,焊点平均应变随焊点高度降低而增加,而在较大应变(5%以上)下则随焊点高度降低而减小。仅当焊点中的钎料发生塑性变形时,剪切效果才开始在焊点内传播。 本文最后分别研究了纯弹性及粘塑性焊点的断裂行为。研究结果表明,不同属性的焊点均呈现张开型断裂(即K_Ⅰ主导)而非剪切型(即K_Ⅱ主导)断裂。预置裂纹距IMC/钎料界面位置一定时,相同体积焊点的断裂参数相近且与界面IMC厚度无关。IMC厚度一定时,裂纹距离界面越远则其应力强度因子(K_Ⅰ和K_Ⅱ)和扭折角(θ)越大,其裂纹扩展方向越小,也即裂纹越倾向于在IMC内扩展。


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