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BGA结构Cu(Ni)/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Ni(Cu)微焊点显微组织形成和演化及剪切断裂行为的尺寸效应

李勋平  
【摘要】:随着电子产品和设备的多功能化及微型化,微互连焊点尺寸持续减小,焊点界面金属间化合物(IMC)与焊点高度的比例持续升高;IMC的本质脆性及焊点的微小化产生的力学拘束效应易导致焊点在服役过程中发生脆性失效,严重影响电子器件和产品的可靠性。本论文研究采用基于截球法和力平衡解析方程方法进行了球栅阵列(BGA)结构微互连焊点设计并成功制备出系列高度的真实BGA结构微尺度焊点,系统研究了焊盘材料、焊点高度、回流焊组装顺序对BGA结构Cu(Ni)/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Ni(Cu)微焊点的凝固行为、显微组织和界面IMC形成与演化及剪切断裂行为的影响。 研究发现,单界面Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu焊点中界面IMC生长速率常数随着焊点中Cu含量的增加而增大。Cu-Ni耦合改变了Ni侧IMC形貌,易导致IMC从界面剥离并进入焊点中;同时,Cu-Ni耦合明显抑制了焊点Cu侧界面Cu_3Sn IMC的生长,但Cu-Ni耦合对Cu侧界面Cu_3Sn IMC层中Kirkendall空洞率无明显影响。此外,Cu-Ni耦合作用还导致BGA结构Cu(Ni)/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Ni(Cu)焊点中Cu焊盘侧界面消耗加剧,而Ni层UBM的消耗减缓。 通过研究焊点高度(体积)对BGA结构Cu(Ni)/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Ni(Cu)焊点界面IMC形成与演化的影响规律发现,Cu-Cu耦合及Ni-Ni耦合作用下界面IMC及Cu_3Sn层生长速率常数随着焊点高度(体积)的增加而增大。与Ni-Ni耦合相比,Cu-Ni耦合对Ni侧界面IMC生长动力学的影响与回流焊组装顺序及焊点高度(体积)有关;与Cu-Cu耦合相比,Cu-Ni耦合明显了抑制Cu侧界面IMC及Cu_3Sn的生长动力学。回流焊组装顺序不同,Cu_3Sn IMC的生长速率常数也不相同,其中一次回流侧Cu界面的IMC及Cu_3Sn生长速率随着焊点体积的增加而增大,二次回流侧IMC及Cu_3Sn的生长速率常数随着焊点体积的增加而减小。 研究结果表明,钎料体积、焊盘尺寸、回流焊组装顺序等对BGA结构微焊点的过冷凝固行为有显著影响,并且钎料及焊点的过冷度与初晶凝固相类型及其体积分数有关。一般而言,钎料合金及焊点的过冷度随着合金体积的增大而减小;相对于Cu基板,Ni基板可有效降低Sn基合金的过冷度。Cu基板对Sn基合金过冷度的影响与合金成分有关,对于亚共晶钎料Sn-3.0Ag-xCu(x=0,0.5)/Cu焊点,焊点成分是影响焊点过冷度的主要因素,而对于过共晶钎料Sn-3.0Ag-xCu(x=1.2,2.0)/Cu焊点,焊盘(基板)尺寸对焊点过冷度的影响大于焊点成分的改变。 研究还发现,BGA结构Cu(Ni)/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Ni(Cu)微焊点的剪切性能主要受焊点高度的影响,剪切强度与焊点高度呈抛物线关系。对BGA结构Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu焊点的剪切性能、抗冲击性能及蠕变应变速率的研究表明,它们也与焊点高度呈抛物线变化趋势。在剪切应力下,BGA结构微焊点的断裂路径随焊点高度的增大而从焊点中心向焊点界面或近界面的钎料体内转移,即微焊点的断裂模式呈现明显的焊点尺寸敏感性。焊点界面上Kirkendall空洞对Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu焊点断裂行为的影响随着焊点高度的增加及时效时间的延长而增大;但尚没有证据表明高密度Kirkendall空洞对Cu(Ni)/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Ni(Cu)焊点剪切断裂机理及焊点的Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu焊点蠕变行为存在显著影响。


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