快速熱疲勞對無鉛微焊點性能和微觀組織的影響.pdf

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

2、焊點的性能和微觀組織產生明顯的影響,并可用其對微焊點的可靠性和相對使用壽命進行評估。
　　本文首先設計并搭建了一套快速加熱的實驗研究裝置,并采用無鉛錫銀銅焊料Sn3.0Ag0.5Cu(SAC305)分別制備球柵陣列(BGA)單基板和雙基板微焊點。首先研究了快速熱疲勞對微焊點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大功率LED進行測試,除了研究其對LED的性能影響外,還研究了其對LED中無鉛微焊點(Au/Sn和Ni/A

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

4、短棒狀變成橢圓的顆粒狀。此外,還發(fā)現在IMC中Cu3Sn層內出現柯肯達爾孔洞,并且隨溫度升高越來越大。根據Fick擴散定律和分子動力學方程,IMC的生長厚度與累積測試時間的平方根大致呈線性關系,故擬合計算出了與傳統(tǒng)熱疲勞結果近似的擴散系數,擴散常數和活化能。還采用快速熱疲勞對微焊點在60-200℃這種極限溫度下分別進行24h和36h的實驗時,發(fā)現了界面IMC呈鋸齒狀的生長,而且IMC的邊界出現了疲勞裂紋現象,并正在進行萌生和擴展。因此,

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

6、。在36小時后,焊點界面出現重結晶的現象,導致產生應力集中和裂紋的產生。在72小時后則發(fā)現裂紋已經充滿整個截面,并且形成網絡化。最后還通過掃描電鏡(SEM)和X射線衍射(XRD)觀察微焊點表面的形貌和成分,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(CTE)差異和氧化錫的脆性促使腐蝕溝形成,導致焊點的網絡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)時間條件下的雙基板63Sn37Pb微焊點界面和表面的微觀組

7、織,看到63Sn37Pb晶粒比SAC305的晶粒細小,而且沒有出現重結晶的現象,裂紋從邊界處開始萌生和擴展,最終擴展至整個焊點截面。最后根據熱變形理論對雙基板微焊點的失效過程進行演示,以上結論對評估焊點的熱疲勞損傷有重要參考價值。
　　研究了快速熱循環(huán)對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)熱疲勞試驗的LED性能進行對比。在工作狀態(tài)測試后的LED,以光通量為例,在測試24小時后下降了30％,達到了失

8、效的條件;而非工作狀態(tài)測試則在440小時下降了15%,在高低溫恒濕條件下測試在552小時后僅下降了4%;同時,還對比光譜圖,在工作狀態(tài)的LED藍光相對光譜提高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%,表明紅綠光譜出現不同程度地下降。此外,色純度和輻射功率都是出現了類似下降的情況,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)熱疲勞試驗的下降幅度最小。這表明快速熱循環(huán)對LE

9、D的可靠性能影響非常顯著,故可作為快速評估LED可靠性和相對使用壽命的一種方法。
　　研究了快速熱循環(huán)對LED芯片無鉛微焊點(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SEM觀察在工作狀態(tài)下測試的微觀組織,觀察到芯片n電極微焊點(Ni/Au)開始變形,微觀組織出現空洞,p電極金屬層(Au/Sn)也開始出現分層和剝離現象,隨著時間的推移,現象越來越明顯,分析原因是由于界面各材料的熱膨脹系數不同產生了

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