快速熱疲勞對(duì)無(wú)鉛微焊點(diǎn)性能和微觀組織的影響.pdf

1、電子封裝微互連技術(shù)正在向小型化,高密度方向快速發(fā)展,微焊點(diǎn)不僅起著電氣和機(jī)械連接的作用,還提供了散熱的途徑,因此微焊點(diǎn)的可靠性顯得尤為重要。本文采用快速熱疲勞研究無(wú)鉛微焊點(diǎn)的界面與表面組織的變化與演化,金屬間化合物(IMC)的生長(zhǎng)規(guī)律以及在極限循環(huán)溫度下的熱疲勞現(xiàn)象;還采用快速熱疲勞對(duì)LED進(jìn)行應(yīng)用研究,研究其對(duì)LED性能以及對(duì)芯片無(wú)鉛微焊點(diǎn)的界面微觀組織影響,并與在高低溫恒濕條件下的常規(guī)熱疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明,快速熱疲勞對(duì)微

2、焊點(diǎn)的性能和微觀組織產(chǎn)生明顯的影響,并可用其對(duì)微焊點(diǎn)的可靠性和相對(duì)使用壽命進(jìn)行評(píng)估。
　　本文首先設(shè)計(jì)并搭建了一套快速加熱的實(shí)驗(yàn)研究裝置,并采用無(wú)鉛錫銀銅焊料Sn3.0Ag0.5Cu(SAC305)分別制備球柵陣列(BGA)單基板和雙基板微焊點(diǎn)。首先研究了快速熱疲勞對(duì)微焊點(diǎn)界面和表面的性能和微觀組織影響;另外還采用快速熱疲勞對(duì)大功率LED進(jìn)行測(cè)試,除了研究其對(duì)LED的性能影響外,還研究了其對(duì)LED中無(wú)鉛微焊點(diǎn)(Au/Sn和Ni/A

3、u)的微觀組織影響,并與常規(guī)熱疲勞下的結(jié)果進(jìn)行比較。研究得出的主要結(jié)論如下:
　　研究了快速熱疲勞對(duì)單基板SAC305微焊點(diǎn)在不同循環(huán)時(shí)間和循環(huán)溫度條件下的微觀組織影響。在0h至12h循環(huán)時(shí)間以及在55-125℃和55-180℃循環(huán)溫度的熱疲勞過(guò)程中,焊點(diǎn)界面間IMC開(kāi)始由扇貝狀變成大波浪狀,其厚度逐漸增厚,而且IMC中由開(kāi)始單一的Cu6Sn5,后來(lái)在Cu6Sn5層與Cu層之間會(huì)生成新的IMC層Cu3Sn,且Ag3Sn顆粒由開(kāi)始的

4、短棒狀變成橢圓的顆粒狀。此外,還發(fā)現(xiàn)在IMC中Cu3Sn層內(nèi)出現(xiàn)柯肯達(dá)爾孔洞,并且隨溫度升高越來(lái)越大。根據(jù)Fick擴(kuò)散定律和分子動(dòng)力學(xué)方程,IMC的生長(zhǎng)厚度與累積測(cè)試時(shí)間的平方根大致呈線性關(guān)系,故擬合計(jì)算出了與傳統(tǒng)熱疲勞結(jié)果近似的擴(kuò)散系數(shù),擴(kuò)散常數(shù)和活化能。還采用快速熱疲勞對(duì)微焊點(diǎn)在60-200℃這種極限溫度下分別進(jìn)行24h和36h的實(shí)驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)了界面IMC呈鋸齒狀的生長(zhǎng),而且IMC的邊界出現(xiàn)了疲勞裂紋現(xiàn)象,并正在進(jìn)行萌生和擴(kuò)展。因此,

5、驗(yàn)證了快速熱疲勞對(duì)微焊點(diǎn)研究具有一定的可行性。
　　對(duì)比研究了快速熱疲勞對(duì)雙基板SAC305和63Sn37Pb兩種微焊點(diǎn)在不同循環(huán)時(shí)間和循環(huán)溫度條件下的微觀組織影響。首先對(duì)雙基板微焊點(diǎn)進(jìn)行熱模擬分析,分析在熱循環(huán)過(guò)程中其受熱分布。然后在循環(huán)溫度為60-200℃的條件下觀察循環(huán)時(shí)間為0h,12h,24h,36h和72h的雙基板SAC305微焊點(diǎn)微觀組織,可以看到焊點(diǎn)界面中IMC開(kāi)始由只有Cu6Sn5后演變成有Cu6Sn5和Cu3Sn

6、。在36小時(shí)后,焊點(diǎn)界面出現(xiàn)重結(jié)晶的現(xiàn)象,導(dǎo)致產(chǎn)生應(yīng)力集中和裂紋的產(chǎn)生。在72小時(shí)后則發(fā)現(xiàn)裂紋已經(jīng)充滿整個(gè)截面,并且形成網(wǎng)絡(luò)化。最后還通過(guò)掃描電鏡(SEM)和X射線衍射(XRD)觀察微焊點(diǎn)表面的形貌和成分,分析得出是由于在表面有氧化錫薄膜的存在,加上熱膨脹系數(shù)(CTE)差異和氧化錫的脆性促使腐蝕溝形成,導(dǎo)致焊點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)化龜裂失效的主要原因。觀察在循環(huán)溫度為55-180℃和相同的循環(huán)時(shí)間條件下的雙基板63Sn37Pb微焊點(diǎn)界面和表面的微觀組

7、織,看到63Sn37Pb晶粒比SAC305的晶粒細(xì)小,而且沒(méi)有出現(xiàn)重結(jié)晶的現(xiàn)象,裂紋從邊界處開(kāi)始萌生和擴(kuò)展,最終擴(kuò)展至整個(gè)焊點(diǎn)截面。最后根據(jù)熱變形理論對(duì)雙基板微焊點(diǎn)的失效過(guò)程進(jìn)行演示,以上結(jié)論對(duì)評(píng)估焊點(diǎn)的熱疲勞損傷有重要參考價(jià)值。
　　研究了快速熱循環(huán)對(duì)LED在工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)下的性能影響,并與在高低溫恒濕條件下的常規(guī)熱疲勞試驗(yàn)的LED性能進(jìn)行對(duì)比。在工作狀態(tài)測(cè)試后的LED,以光通量為例,在測(cè)試24小時(shí)后下降了30％,達(dá)到了失

8、效的條件;而非工作狀態(tài)測(cè)試則在440小時(shí)下降了15%,在高低溫恒濕條件下測(cè)試在552小時(shí)后僅下降了4%;同時(shí),還對(duì)比光譜圖,在工作狀態(tài)的LED藍(lán)光相對(duì)光譜提高36%,在非工作狀態(tài)下提高了17%,而在高低溫恒濕條件下只提高了7%,表明紅綠光譜出現(xiàn)不同程度地下降。此外,色純度和輻射功率都是出現(xiàn)了類似下降的情況,其幅度都逐漸降低;但是色溫和正向工作電壓卻逐漸升高,而且工作狀態(tài)的上升幅度最高,常規(guī)熱疲勞試驗(yàn)的下降幅度最小。這表明快速熱循環(huán)對(duì)LE

9、D的可靠性能影響非常顯著,故可作為快速評(píng)估LED可靠性和相對(duì)使用壽命的一種方法。
　　研究了快速熱循環(huán)對(duì)LED芯片無(wú)鉛微焊點(diǎn)(Au/Sn和Ni/Au)在工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)下界面微觀組織的影響。首先通過(guò)SEM觀察在工作狀態(tài)下測(cè)試的微觀組織,觀察到芯片n電極微焊點(diǎn)(Ni/Au)開(kāi)始變形,微觀組織出現(xiàn)空洞,p電極金屬層(Au/Sn)也開(kāi)始出現(xiàn)分層和剝離現(xiàn)象,隨著時(shí)間的推移,現(xiàn)象越來(lái)越明顯,分析原因是由于界面各材料的熱膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生了

10、內(nèi)應(yīng)力,在LED工作過(guò)程中芯片自身產(chǎn)生的溫度和熱循環(huán)施加的環(huán)境溫度,導(dǎo)致焊點(diǎn)發(fā)生重熔而變形,同時(shí)由于電遷移和熱遷移耦合的作用,使得微焊點(diǎn)出現(xiàn)空洞,導(dǎo)致接觸面積變小,使得其性能快速下降。在觀察非工作狀態(tài)下的微焊點(diǎn)微觀組織時(shí),n電極微焊點(diǎn)發(fā)生變形和p電極金屬層分層的程度沒(méi)有在工作狀態(tài)時(shí)明顯,分析原因是由于n電極微焊點(diǎn)處僅發(fā)生了熱遷移現(xiàn)象使得發(fā)生微焊點(diǎn)晶粒粗化,p電極金屬層因熱膨脹系數(shù)差異而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力小,使得接觸面積減小有限,故性能下降幅度