電子封裝無鉛焊點互連界面的微尺度力學(xué)性能的研究.pdf

1、電子封裝的無鉛化使得無鉛焊料成為目前主要的微電子互連材料，隨著電子產(chǎn)品的微型化和多功能化，封裝中微電子互連材料的尺寸越來越?。ㄎ⒚准墸?，作為起到電學(xué)與力學(xué)連接作用的焊接點面臨著諸多可靠性問題。因此，發(fā)展小尺度下具有高分辨率的力學(xué)測量方法，從細(xì)觀角度來表征焊點材料的力學(xué)性能對于建立其相關(guān)力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫及工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計有著重要的現(xiàn)實意義。
　　焊料與襯底金屬間生成的界面金屬化合物對焊點的可靠性產(chǎn)生了不可忽視的影響。本文通過對Sn-3.0

2、Ag-0.5Cu（SAC305）無鉛焊料和Cu基底焊接后形成的的SAC305焊料及焊接界面Cu6Sn5和Cu3Sn兩種金屬間化合物做了納米壓痕測試，分析了加載率及溫度對焊料彈性模量、硬度、蠕變性能的影響；在實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上利用代表性應(yīng)變法獲得了兩種材料的冪本構(gòu)關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上獲得了材料的Johnson-cook本構(gòu)方程。論文主要包括內(nèi)容有：
　　1.介紹了試樣的制備過程，采用掃描電鏡（SEM）觀查到界面化合物的存在，獲得了它的形

3、貌特征；通過能譜儀（EDS）對其線掃描的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該層材料為階躍突變，而非逐漸過渡。通過點掃描確定了界面化合物為Cu3Sn和Cu6Sn5兩種化合物。
　　2.采用納米壓入法對Sn-3.0Ag-0.5Cu（SAC305）無鉛焊料及該焊料與銅基底焊接后的焊點互連界面材料進(jìn)行了納米壓入測試，在不同加載率˙P/P（0.01s?1、0.05s?1、0.25s?1和0.50s?1）下測量了SAC305焊料及兩種界面金屬化合物的力學(xué)性能，分析了

4、加載率對其硬度、彈性模量與屈服強度的影響。
　　通過對SAC305焊接后生成的四層材料的彈性模量及硬度值的比較，可知其生成的焊點互連界面層硬度及彈性模量值均高于SAC305焊料，硬度值與Cu基底又有明顯的區(qū)別，進(jìn)一步驗證了金屬間化合物的真實存在。SAC305焊料及兩種界面化合物Cu6Sn5和Cu3Sn的硬度會隨加載率提高而增大，表明這些材料都具有明顯的應(yīng)變率硬化效應(yīng)。硬而脆的界面化合物的力學(xué)性能參數(shù)與無鉛焊料的相對差值較大，因此在

5、焊點互連界面層與焊料的交界處應(yīng)變差值較大，焊點互連界面層必然是焊點內(nèi)部破壞的關(guān)鍵部位。
　　3.溫度對SAC305焊料及界面金屬化合物的力學(xué)性能都有很大的影響。高溫下焊料發(fā)生軟化，兩種材料試樣的壓入深度和蠕變位移均隨著溫度的升高有顯著的增加，硬度和模量都呈現(xiàn)下降趨勢。
　　4.利用Berkovich壓頭及Cube corner壓頭對SAC305焊料及界面金屬化合物進(jìn)行了納米壓入測試，基于測量的載荷深度數(shù)據(jù)，通過模型分析和數(shù)據(jù)

6、處理，確定兩組代表性應(yīng)力和代表性應(yīng)變，利用代表性應(yīng)變法識別出材料的塑性參數(shù)，獲得了不同溫度下兩種材料的冪函數(shù)本構(gòu)關(guān)系。分析了彈性模量、強度系數(shù)、應(yīng)變強化指數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，以線性方程擬合它們與絕對溫度的關(guān)系，給出了SAC305焊點及界面化合物兩種材料25℃～150℃溫度范圍內(nèi)的冪函數(shù)本構(gòu)關(guān)系綜合表達(dá)式。
　　5.在冪函數(shù)本構(gòu)關(guān)系基礎(chǔ)上，結(jié)合Johnson-cook本構(gòu)關(guān)系模型，得到模型中材料與溫度、應(yīng)變、應(yīng)變率相關(guān)的五個系數(shù)，給

7、出了兩種材料Johnson-cook本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式。
　　6.研究了25℃～150℃溫度范圍內(nèi)SAC305焊料及界面化合物的蠕變性能，給出了蠕變速率敏感指數(shù)、蠕變激活能等參數(shù)。SAC305焊料隨溫度升高蠕變速率敏感指數(shù)從0.106上升到0.258，蠕變激活能55.3KJ/mol；界面化合物材料隨溫度升高蠕變速率敏感指數(shù)從0.064上升到0.154，蠕變激活能37.08KJ/mol。從蠕變激活能接近于β-Sn的自擴(kuò)散激活能可知焊料中