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电子封装SnPbAg焊层热循环可靠性研究

张胜红  
【摘要】:集成电路设计和工艺的飞速发展,以及它在整个社会和工程领域内的广泛 应用,使集成电路的封装技术的重要性越来越大。集成电路封装的发展方向是 高密度、低成本和高可靠性。随着汽车电子的发展和应用,汽车电子中的功率 模块封装的可靠性也已成为研究的一个重要方向。兼顾成本和可靠性的因素, 用SnPb焊料作为功率集成电路芯片与(散热)基板的大面积焊区连接己得到实 际的应用。目前国内外对这种芯片贴装的工艺,从不同方面都进行过研究。但 大面积焊区中裂缝传播的实验研究和什算机模拟在国内外文献中均尚未见报 导。 SnPb焊料由于其特有的性能,广泛用于集成电路的封装工艺中。SnPb焊 料不仅可以作为机械的连接,还可以起到电连接和散热的作用。由于芯片与衬 底的热膨胀系数的不同,在器件工作和开断时,由热失配产生的应力应变将主 要由焊点承担。本文对92.5Pb5Sn2.5Ag焊料合金在功率循环和温度循环下的 可靠性和焊层内的裂纹扩展现象进行了研究。应用超声波显微镜对裂纹的生长 过程进行检测,得到了热循环失效的裂纹扩展数据。采用统一型粘塑性Anand 方程描速了92.5Pb5Sn2.5Ag焊料的力学本构。利用有限元方法,对芯片贴装DCB 基板功率模块进行了三维和预置裂纹二维的有限元模拟。本文研究主要得到以 下结果: l.对功率芯片贴装DCB基板模块的热循环买验表明:92.5Pb5Sn2.5Ag焊 点内产生裂纹并且随着热循环实验的进行由边缘向内部扩展。裂纹扩展速率随 热循环的进行逐渐减小。温度循环下的裂纹生长速率较功率循环下的裂纹生长 速率要大。 2.应用超声波显微镜CSAM(C-mode Scanning Acoustic Microscope)对 92.5Pb5Sn2.5Ag焊层的裂纹扩展进行检测。研究证明这是一种有效的无损检测 方法,能够检测得到裂纹扩展的结果。研究还利用CSAM检测得到的超声图像 得到了 92.5Pb5Sn2.5Ag焊层裂纹生长速率的数据。 3.采用基于单一内变量亦即形变阻抗的统一型粘塑性Anand本构方程, 描速了电子封装SnPb 钎料的粘塑性变形行为。确定了92.5Pb5Sn2.5Ag钎料的 粘塑性本构模型。92.5Pb5Sn2.5Ag钎料的粘塑性 Anand方程可用于热循环下的 l — — 有限元分析。 4.用有限元方法模拟了三维功率芯片贴装DCB基板模块在热循环条件下 的应力应变过程。描述了92.5的5h2.5* 焊层在热循环下的应力应变响应。 结果表明,应力应变在焊层的边缘较高,高温保温和低温保温阶段对焊点的非 弹性应变范围贡献不大。来用等效塑性应变增量Ae4,提出了一种苗述SnPb 合金热循环裂纹扩展速率的经验方程。DCB基板SnPb焊层的裂纹扩展速率随 裂纹长度的增加而减小。 5.研究还用有限元方法摸拟了预置裂纹二维模型中裂纹的扩展,对二维裂 绞体的裂绞尖端进行了描述。基于断裂力学方法,求解了f积分。结果表明, f可以用来作为SnPb热循环裂纹扩展的力学表征参量。


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