【摘 要】
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现代微电子封装系统中,由于电子封装层级繁杂、整体结构密集、涉及到的材料范围广泛,导致任何一个环节出现可靠性问题都有可能使得整个封装系统失效。无铅焊料互连焊点作为微电子封装系统中的二级封装连接材料,还具有如机械结构支撑、电气连接和热量耗散的重要作用,是能影响整个封装系统可靠性的重要因素。本文以Sn-Bi系合金为基础,通过研究Sn57BiAgCuCo、Sn45BiAgCuNi、64Sn-35Bi-1A
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现代微电子封装系统中,由于电子封装层级繁杂、整体结构密集、涉及到的材料范围广泛,导致任何一个环节出现可靠性问题都有可能使得整个封装系统失效。无铅焊料互连焊点作为微电子封装系统中的二级封装连接材料,还具有如机械结构支撑、电气连接和热量耗散的重要作用,是能影响整个封装系统可靠性的重要因素。本文以Sn-Bi系合金为基础,通过研究Sn57BiAgCuCo、Sn45BiAgCuNi、64Sn-35Bi-1Ag、69.5Sn-30Bi-0.5Cu四种合金的熔化特性、润湿平衡特性来分析其可焊性,并通过研究四种钎料合金在不同温度下的拉伸、蠕变力学行为特性以及电迁移与快速温度循环耦合下的BGA焊点的微观组织演变规律来分析其可靠性。具体研究内容和结论如下:研究了Sn57BiAgCuCo、Sn45BiAgCuNi、64Sn-35Bi-1Ag、69.5Sn-30Bi-0.5Cu四种合金的熔化特性与润湿性,发现微量合金元素的添加对Sn57BiAgCuCo、Sn45BiAgCuNi、64Sn-35Bi-1Ag、69.5Sn-30Bi-0.5Cu的固相线温度改变不大,也没有改变合金凝固时的主要相变反应,但降低了Sn57BiAgCuCo钎料合金的液相线温度。微量元素Co的添加对润湿性有明显抑制作用,Ag元素的添加则能在一定程度上增强合金的润湿性能。研究了四种合金在50℃～125℃的温度条件下静态拉伸的力学行为与温度对断裂机制的影响。结果表明:在50～125℃拉伸时除了Sn57BiAgCuCo合金外,其余三种合金的强度以及弹性模量总体上都有随着温度升高而降低的趋势,这与温度升高金属内部原子扩散能力增强,滑移所需的临界分切应力降低有关。而Sn57BiAgCuCo在升至100℃时强度略有上升与动态再结晶形成较多高强度的大块富Bi晶粒有关。对四种合金在75～100℃的拉伸断口分析结果为:随着温度升高Sn57BiAgCuCo与Sn45BiAgCuNi的断裂模式主要从解理断/准解理断转为韧性断裂,64Sn-35Bi-1Ag与69.5Sn-30Bi-0.5Cu的断裂模式从以韧性断裂为主的混合断裂模式转为韧性断裂。研究了四种合金在75～100℃的温度条件下低应力蠕变行为及蠕变断裂方式,并研究了Sn57BiAgCuCo与Sn45BiAgCuNi合金进行50～100℃的条件下纳米压痕蠕变的行为,通过拟合蠕变本构方程参数确定蠕变主导机制。拉伸蠕变结果表明:Sn57BiAgCuCo、Sn45BiAgCuNi、64Sn-35Bi-1Ag、69.5Sn-30Bi-0.5Cu四种合金的蠕变激活能分别为43.964 kJ/mol、152.695 kJ/mol、189.643kJ/mol和149.947 kJ/mol,Sn57BiAgCuCo更容易进行蠕变,四种合金的高温蠕变行为主要受位错攀移机制控制。纳米压痕蠕变结果表明,随着温度的升高Sn57BiAgCuCo与Sn45BiAgCuNi两者的压痕深度结果逐渐离散,表明合金的强化相受温度的影响程度变大。压痕深度的结果表明Sn57BiAgCuCo合金强度对温度的敏感性更高,这与Sn57BiAgCuCo的组织在75℃以后Sn-Bi片层组织蠕变变形协调能力更强有关。高应力条件下进行纳米压痕时Sn57BiAgCuCo的蠕变激活能为6.323 kJ/mol,蠕变应力指数在3.62～5.28之间。Sn45BiAgCuNi的蠕变激活能为7.322 kJ/mol,蠕变应力指数在3.00～4.93之间。计算结果表明位错攀移机制为Sn57BiAgCuCo与Sn45BiAgCuNi两种合金蠕变的主要控制机制。研究了四种合金的BGA焊点进行电迁移与温度循环后的组织演变规律,发现当电流密度大于2×102A/cm2时,本课题四种Sn-Bi基合金的BGA焊点能发生金属内部原子的定向移动。经计算四种合金焊点在进行温度循环时由于PCB与BGA的线膨胀系数不同引起的应变场大小约为-0.448%～0.325%。焊点SEM结果表明在电子风力以及焦耳热的影响下,焊点内部Bi相生长呈现出一定的方向性,原子在电流与温度场下的迁移扩散为空位扩散机制。焊点内部金属原子在电迁移时发生定向移动将会造成内部孔洞聚集并长大,并导致裂纹的拓展,对可靠性造成不好的影响。BGA焊点内部富Bi相弥散分布与交变应变场下动态再结晶形成新的细小晶粒有关,晶界为Bi原子提供更多的扩散通道。此外,在电子风力作用下扩散的Ag、Cu原子与Sn形成化合物时产生新的晶界也能提供额外的扩散路径。
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