【摘 要】
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在电子封装中,焊点有着机械固定和电气互联的功能,焊点的失效将直接导致电子产品的失效发生。在焊接过程中,钎料会与焊盘反应生成金属间化合物（Intermetallic compound,IMC）,这是形成良好焊接接头的必要条件。然而,随着高密度封装技术的发展,微焊点的尺寸已达到数十微米,IMC在微焊点钎料层中所占据的比例已不容忽视,而且形成的IMC还带有明显的形貌特征。其次,由于大功率电子设备和第三代
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在电子封装中,焊点有着机械固定和电气互联的功能,焊点的失效将直接导致电子产品的失效发生。在焊接过程中,钎料会与焊盘反应生成金属间化合物（Intermetallic compound,IMC）,这是形成良好焊接接头的必要条件。然而,随着高密度封装技术的发展,微焊点的尺寸已达到数十微米,IMC在微焊点钎料层中所占据的比例已不容忽视,而且形成的IMC还带有明显的形貌特征。其次,由于大功率电子设备和第三代半导体功率器件的使用越来越广泛,其高温服役环境加速了IMC的生长。除此之外,单个微焊点钎料体中只包含数个甚至一个晶粒,钎料体材料会呈现明显的各向异性力学性能,严重影响微焊点的力学可靠性。因此,在各向异性条件下,研究IMC比例和形貌对微焊点力学行为的影响对提高微焊点可靠性具有重要的意义。本研究首先采用纯度99.99%,厚度50μm的纯Sn,通过回流焊的方式制备出Cu/Cu3Sn/Cu6Sn5/Cu3Sn/Cu焊接接头;其次,采用纳米压痕试验,获得接头组织中Cu6Sn5和Cu3Sn相的载荷-位移曲线、弹性模量和硬度;最后,结合有限元方法、量纲分析法和反演分析方法从载荷-位移曲线中提取出Cu6Sn5和Cu3Sn的应变强化指数和屈服强度,得到了Cu6Sn5和Cu3Sn的弹塑性本构方程,将其作为后续有限元分析的各向同性材料属性。采用基于密度泛函数理论的第一性原理方法计算出了Cu、Sn、η-Cu6Sn5、η′-Cu6Sn5和Cu3Sn的单晶体弹性常数刚度矩阵[Cij],将其作为后续有限元分析的各向异性材料属性,并且对五种材料弹性模量、剪切模量、体积模量和泊松比的各向异性进行了分析,发现只有Cu的体积模量呈现各向同性,其余均呈现明显的各向异性性能,且泊松比的各向异性程度明显高于弹性模量、剪切模量和体积模量的各向异性程度。在考虑材料力学各向异性情况下,对具有IMC形貌的Cu/IMC/Sn/IMC/Cu线形微焊点有限元模型进行了拉伸模拟,研究了材料力学性能各向异性、IMC比例和IMC形貌对微焊点钎料层中应力大小、分布情况和应力集中的影响。结果表明,随着钎料层中IMC比例增加,微焊点强度也不断增加;但是,IMC形貌的产生降低了微焊点的强度;其次,材料力学各向异性性能会显著改变钎料层中应力的大小和分布情况,且容易导致出现应力集中现象。
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