多場(chǎng)耦合下板級(jí)互連Sn-Ag-Cu-Cu焊點(diǎn)失效特征及機(jī)理.pdf

1、隨著汽車電子，移動(dòng)電子以及大功率集成電子設(shè)備朝向高密度化、微型化、多功能化等方面的發(fā)展。板級(jí)封裝電子元器件內(nèi)互連微焊點(diǎn)所受服役環(huán)境越來(lái)越苛刻。在實(shí)際服役過(guò)程中互連微焊點(diǎn)往往經(jīng)歷著熱、電、力載荷的共同作用，多種載荷的耦合作用不僅影響了PCB板的響應(yīng)特征而且對(duì)焊點(diǎn)的失效機(jī)理有著顯著的影響。因此，本文以Sn-Ag-Cu系無(wú)鉛焊點(diǎn)為載體，研究了在熱-力耦合(溫度-振動(dòng)耦合)、熱-力-電耦合作用下，PCB板的響應(yīng)特征和微焊點(diǎn)的失效機(jī)理。
　

2、　測(cè)量了溫度、振動(dòng)、電耦合下板級(jí)應(yīng)變、頻率、加速度等響應(yīng)數(shù)據(jù)，研究了溫度-振動(dòng)耦合、溫度-振動(dòng)-電耦合下PCB板的頻率響應(yīng)和形變特征的影響規(guī)律。結(jié)果表明，溫度-振動(dòng)耦合下，溫度由25℃升高到100℃，PCB板一階固有頻率下降，同時(shí)一階固有頻率下的應(yīng)變峰值沒(méi)有發(fā)生變化；溫度-振動(dòng)-電耦合下，電流的施加，改變了PCB板溫度分布，降低了PCB板的一階固有頻率的同時(shí)還降低了PCB板應(yīng)變峰值，由0.001下降到0.00078。揭示出多場(chǎng)耦合作用下

3、的板級(jí)載荷的復(fù)雜性。
　　應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析的方法，研究了溫度-振動(dòng)耦合下微焊點(diǎn)的壽命、失效模式和機(jī)制。結(jié)果表明，在一定溫度范圍和激振水平下(功率譜密度PSD為1.55(m/s2)2/Hz)，溫度升高(25℃，25℃，100℃)，改善了焊點(diǎn)塑性性能，提高了振動(dòng)載荷下焊點(diǎn)的壽命；焊點(diǎn)斷裂位置由界面金屬間化合物(IMC)與銅焊盤之間轉(zhuǎn)變?yōu)轶w釬料處內(nèi)，由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂特征；設(shè)計(jì)了不同激振水平下溫度-振動(dòng)耦合下焊點(diǎn)失效試驗(yàn)，研究應(yīng)力水

4、平對(duì)溫度-振動(dòng)耦合下焊點(diǎn)壽命和失效模式的影響規(guī)律。隨著PSD值的逐漸升高(2.34(m/s2)2/Hz，3.35(m/s2)2/Hz，4.55(m/s2)2/Hz)，溫度對(duì)微焊點(diǎn)壽命和失效模式影響的趨勢(shì)逐漸不敏感。PSD為2.34(m/s2)2/Hz時(shí)，溫度升高，焊點(diǎn)壽命下降，PSD分別為3.35(m/s2)2/Hz和4.55(m/s2)2/Hz時(shí)，不同溫度下的焊點(diǎn)壽命幾乎無(wú)明顯變化。焊點(diǎn)主要失效模式均為體釬料裂紋和混合裂紋，溫度升高對(duì)

5、焊點(diǎn)失效模式的影響不顯著。過(guò)應(yīng)力作用是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因，振動(dòng)載荷強(qiáng)度主導(dǎo)了焊點(diǎn)失效。
　　對(duì)比分析了冷熱沖擊-振動(dòng)順序耦合與溫度-振動(dòng)實(shí)時(shí)耦合下焊點(diǎn)的失效特征。結(jié)果表明，順序耦合作用下焊點(diǎn)體釬料組織粗化，致使體釬料處力學(xué)性能下降，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生在體釬料內(nèi)，抗振動(dòng)性能下降，冷熱沖擊載荷的施加加速了焊點(diǎn)的失效。而溫度-振動(dòng)實(shí)時(shí)耦合下，溫度提高使得焊點(diǎn)體釬料塑性性能提升，降低了焊點(diǎn)界面應(yīng)力水平，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生在體釬料處，兩者的失效機(jī)制

6、顯著不同。
　　揭示了三場(chǎng)耦合各因素對(duì)焊點(diǎn)失效特征的影響規(guī)律。結(jié)果表明，溫度-電-振動(dòng)耦合下，電載荷的施加，降低了PCB板的應(yīng)變幅值，致使焊點(diǎn)的振動(dòng)載荷強(qiáng)度降低，提高了互連微焊點(diǎn)的壽命；溫度-電-振動(dòng)耦合下焊點(diǎn)裂紋為體釬料裂紋和混合裂紋，傾向于韌性斷裂。進(jìn)一步提高三場(chǎng)耦合中電場(chǎng)載荷強(qiáng)度，電流密度由0.7×104 A/cm2提高到0.85×104A/cm2，焊點(diǎn)加載1小時(shí)仍未失效，分析表明焊點(diǎn)內(nèi)部發(fā)生明顯的電遷移現(xiàn)象，PCB振動(dòng)幅值