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无铅焊料表面贴装焊点的高温可靠性研究

肖克来提  
【摘要】: 本工作以开发适合在汽车和航天等领域的高温环境中服役的焊点体系为目 的,利用时效、冷热循环、潮热等加速实验和高温下剪切强度实验等,研究了 SnAg、SnAgCu和SnSb等无铅焊料焊点的高温可靠性,得到如下结论: l.研究了SnAg焊料与Cu焊盘焊接所形成焊点的可靠性。与常用的 Sn62Pb36Ag2/Cu焊点比较,SnAg/Cu体系在150℃时效时显示了较高的稳 定性,其组织粗化程度和界面金属间化合物的生长速率都小于SnPbAg焊 点,SnAg/Cu焊点在时效过程中能够保持更好的机械性能,断裂与界面处 金属间化合物的生长有关;在热循环过程中,由于热失配产生的应变导致 焊点中出现裂纹,焊点强度下降很快,但SnAg/Cu焊点保持了高于 SnPbAg/Cu焊点的剪切强度;潮热实验对SnAg和SnPbAg焊点的影响不大, 相对来说,对SnAg焊点影响更小。 2.首次利用时效、热循环等手段研究了SnAg焊料与Au/Ni-P/Cu焊盘所形成 表面贴装焊点的高温(150℃)可靠性,并与Sn62Pb36Ag2焊点进行了比较。 实验发现,在时效的初始阶段,SnAg焊点表现出较高的强度,此时,SnPbAg 和SnAg两种焊点的断裂均发生在焊料内部。但当时效时间超过250h 时,SnAg焊点强度剧烈下降,断裂则发生在Ni-P/Cu基体的界面上,而SnPbAg 焊点则保持了较高强度。SnAg焊点在回流和时效过程中Ni-P层较多Ni的 消耗可能是Ni-P与Cu基体间结合强度大幅降低的主要原因;Ni-P与焊料 的反应影响Ni-P/Cu界面结合强度这一现象为本工作的重要发现。SnAg/Ni- P焊点在热循环过程中也出现Ni-P从Cu基板上分离的现象;潮热实验对 SnAg和SnPbAg焊点的影响不大。SnAg与Au/Ni-P/Cu焊盘形成焊点时, 其可靠性明显不如SnPbAg焊料。 3.关于常用的器件端头金属化层对无铅焊料焊点的影响的研究在国内外文献 中尚未见报道。针对这一现状,本文研究了两种器件端头金属化层对SnPbAg 和Snsb等焊点的形状、微结构及剪切强度的影响,发现SnSb等无铅焊料 对器件的金属化层种类很敏感:Ni/AgPd与SnSb焊料所形成焊点的形状理 想,强度最高,而SnSb/AgPd焊点则由于SnSb与AgPd的剧烈反应导致焊 摘 要 料在器件端头区域集中而不在Ctl焊盘上充分铺展,焊点强度低,断裂发生 在原AgPd/陶瓷界面。对于SnPbAg焊料,器件金属化层对焊点形状和强度 影响不大,剪切测试后,断裂发生在焊料内部。 4.研究了Sndg和Ph95Sns组成复合焊点时,元素之间的互扩散,对 SnAg/Pb95Sns扩散偶的微结构及热学性能作了分析,发现低熔点SnPbAg 三元共晶相的生成。通过在Ph95Sns合金上电镀和化学镀N以充当阻挡层 来防止低熔点相的生成,并对其效果进行了检验。有选择性地在C4芯片的 Ph95Sns焊料凸点上化学镀Ni首次获得成功并在倒装焊结构中得到应用。


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