電子封裝中金屬間化合物力學(xué)性能的研究及焊點(diǎn)可靠性分析.pdf

1、隨著電子封裝的無(wú)鉛化和微型化，焊料與襯底金屬間生成的界面金屬間化合物（intermetallic compound簡(jiǎn)稱(chēng)IMC）對(duì)焊點(diǎn)的可靠性產(chǎn)生了不可忽視的影響。本文工作對(duì)IMC層的力學(xué)性能進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究，分析了IMC層在熱循環(huán)和跌落沖擊載荷下對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響。
　　 1、采用納米壓痕技術(shù)對(duì)焊點(diǎn)連接各層材料的力學(xué)性能進(jìn)行研究，并對(duì)不同工況制備的IMC層進(jìn)行性能測(cè)試。通過(guò)對(duì)Sn3.0Ag0.5Cu焊料、IMC層和Cu焊盤(pán)的

2、力學(xué)性能進(jìn)行分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)IMC層的性能與無(wú)鉛焊料和Cu的性能存在較大差異，焊點(diǎn)連接層在承受外荷載作用時(shí)，IMC周?chē)鷮a(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，此處為焊點(diǎn)失效的關(guān)鍵位置;不同工藝制備條件（無(wú)鉛焊料成分、回流焊接次數(shù)和焊接曲線(xiàn)的加熱因子值）對(duì)IMC層的力學(xué)性能均存在一定的影響，研究結(jié)果為電子封裝制備工藝的進(jìn)一步優(yōu)化提供了研究基礎(chǔ)。
　　 2、根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定電子封裝中IMC層的彈塑性本構(gòu)關(guān)系。采用ANSYS有限元分析軟件，結(jié)合量綱分析方

3、法和反演分析技術(shù)，建立載荷位移曲線(xiàn)與材料彈塑性本構(gòu)參數(shù)之間的聯(lián)系。根據(jù)特征應(yīng)力和特征應(yīng)變的概念，建立了無(wú)鉛焊料Sn3.0Ag0.5Cu內(nèi)生成Cu3Sn和Cu6Sn5、Sn3.5Ag內(nèi)生成的Cu6Sn5以及Sn0.7Cu內(nèi)生成的Cu6Sn5的彈塑性本構(gòu)關(guān)系。
　　 3、針對(duì)不同時(shí)效時(shí)間下的IMC厚度測(cè)量值，分析時(shí)效對(duì)焊點(diǎn)抵抗熱疲勞能力的影響，對(duì)無(wú)鉛焊點(diǎn)Sn3.0Ag0.5Cu、Sn3.5Ag和Sn0.7Cu的熱疲勞可靠性進(jìn)行評(píng)估。

4、采用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)焊點(diǎn)在熱循環(huán)載荷下的力學(xué)行為進(jìn)行分析，并采用修正的Coffin-Manson經(jīng)驗(yàn)方程對(duì)關(guān)鍵焊點(diǎn)進(jìn)行熱疲勞壽命預(yù)測(cè)。可見(jiàn)PBGA中的關(guān)鍵焊點(diǎn)位于芯片右下方;關(guān)鍵焊點(diǎn)的等效應(yīng)力最大值隨著IMC層厚度值的增大而減小，等效塑性應(yīng)變最大值隨著IMC層厚度值增大而增大;模型中IMC層的厚度對(duì)關(guān)鍵焊點(diǎn)的疲勞壽命具有重要的影響，其壽命周期隨著IMC層厚度的增大而減小。IMC層厚度為19μm的關(guān)鍵焊點(diǎn)壽命周期比厚度為2μm

5、時(shí)下降了21.46％;無(wú)鉛焊料Sn3.5Ag的熱疲勞壽命最大，分別為Sn0.7Cu和Sn3.0Ag0.5Cu的2.97倍和1.33倍。
　　 4、分析跌落沖擊載荷下IMC層厚度對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響，討論了Sn3.5Ag、Sn3.0Ag0.5Cu和Sn0.7Cu三種無(wú)鉛焊點(diǎn)在跌落沖擊載荷下的可靠性。按照電子產(chǎn)品板級(jí)跌落測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（JEDEC Standard JESD22-B111），采用ANSYS/LS_ DYNA有限元分析軟件和I

6、nput-G方法對(duì)PBGA在板級(jí)跌落條件下的力學(xué)行為進(jìn)行計(jì)算。分析表明，IMC層為2μm～19μm與不考慮IMC層（即IMC層厚度為0）時(shí)焊點(diǎn)最大剝離應(yīng)力的差值范圍為0.0314～0.1032GPa，相應(yīng)的增大比例為10.9％～36％;隨著IMC層厚度的增大，關(guān)鍵焊點(diǎn)的最大剝離應(yīng)力值增大，增大的速率從0.0157GPa/μm逐漸減小到0.0009GPa/μm;同時(shí)，Sn3.5Ag、Sn3.0Ag0.SCu和Sn0.7Cu的最大剝離應(yīng)力值