【摘 要】
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随着电子功率器件朝着微型化、智能化、多功能化方向的不断发展,对电子功率器件的封装质量要求愈来愈高。然而,电子产品在实际工作服役环境中,由于元器件长期处于温度交替变化的服役环境,芯片、焊点和基板三者之间因热膨胀系数不同会在温度变化过程中产生应力与应变,使焊点的性能急剧下降,降低了焊点的可靠性。因此,研究冷热循环对微焊点可靠性的影响至关重要。基于本研究室人员的研究基础,本文选用Sn-5Sb及SAC30
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随着电子功率器件朝着微型化、智能化、多功能化方向的不断发展,对电子功率器件的封装质量要求愈来愈高。然而,电子产品在实际工作服役环境中,由于元器件长期处于温度交替变化的服役环境,芯片、焊点和基板三者之间因热膨胀系数不同会在温度变化过程中产生应力与应变,使焊点的性能急剧下降,降低了焊点的可靠性。因此,研究冷热循环对微焊点可靠性的影响至关重要。基于本研究室人员的研究基础,本文选用Sn-5Sb及SAC305两种钎料作对比,研究Sn-5Sb-0.5Cu-0.1Ni-0.5Ag钎料在Cu焊盘上形成的微焊点的界面金属间化合物（IMC）生长演变规律,并分析添加微量元素Cu、Ni、Ag的作用机理。通过剪切及纳米压痕的实验方法研究冷热循环前后三种微焊点的剪切性能、体钎料的硬度及蠕变行为。研究表明:冷热循环前,Sn-5Sb-0.5Cu-0.1Ni-0.5Ag/Cu界面IMC是由细小颗粒状的（Cu,Ni）6Sn5堆垛而成;Sn-5Sb/Cu和SAC305/Cu界面IMC形貌分别是锯齿状和扇贝状,界面IMC的主要组成均为Cu6Sn5。冷热循环1000次后,Sn-5Sb/Cu、SAC305/Cu界面IMC形貌变得相对平坦,且界面IMC的主要组成发生改变,靠近钎料一侧的界面IMC组成为Cu6Sn5,靠近基板一侧界面IMC组成为Cu3Sn;但是Sn-5Sb-0.5Cu-0.1Ni-0.5Ag/Cu界面IMC的形貌及组成未发生明显变化。当冷热循环的次数增加时,三种焊点界面IMC层厚度均有增加。但是,在相同循环次数下,Sn-5Sb-0.5Cu-0.1Ni-0.5Ag/Cu界面IMC的生长速率明显小于Sn-5Sb/Cu。这是由于微量元素Cu的添加减小钎料与基板的浓度差值,阻碍反应扩散和体扩散的进行,抑制了界面IMC的生长。冷热循环前后,Sn-5Sb-0.5Cu-0.1Ni-0.5Ag/Cu剪切强度、体钎料硬度始终高于Sn-5Sb/Cu和SAC305/Cu;且在相同循环次数后,相比于Sn-5Sb、SAC305体钎料,Sn-5Sb-0.5Cu-0.1Ni-0.5Ag体钎料蠕变位移及蠕变速率最小,抗蠕变性能最强。在Sn-Sb基钎料中,Sb固溶于β-Sn中形成置换固溶体,起到固溶强化的作用;微量元素Ni的添加形成大量的（Cu,Ni）6Sn5,阻碍位错的运动,起到弥散强化的作用,且Ni可以细化晶粒,起到细晶强化的作用;微量元素Ag的添加形成大量Ag3Sn,起到第二相强化的作用;微量元素的添加提高微焊点的剪切强度、体钎料硬度及抗蠕变性能。冷热循环前,三种微焊点均在体钎料处出现韧性断裂;冷热循环1000次后,Sn-5Sb-0.5Cu-0.1Ni-0.5Ag/Cu的断裂方式及位置未变化,仍然在体钎料处发生韧性断裂,而另外两种焊点发生明显变化,其中Sn-5Sb/Cu是在体钎料及体钎料和界面IMC的交界处出现了韧-脆混合型断裂,SAC305/Cu是在体钎料和界面IMC的交界处出现了沿晶脆性断裂。
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