随着大功率器件的逐步推广和应用,封装体密度越来越高,焊点尺寸越来越小,焊点数量越来越多,其元器件内部芯片所承受的功率越来越大,封装体内部的热流密度也越来越高,为了更好地发挥其性能必须进行快速冷却降温。元器件内部焊点在服役过程中必将承受着高频率、急剧的温度变化,必将导致元器件内部各种材料的热膨胀系数失配,以及起连接作用的焊点承受着应力应变的循环变化,进而引起焊点的热疲劳破坏,导致整个封装器件的失效。目前,在国内外尚未查到相关实验或科研设备,及相应的评价方法,迫切需要开发快速热疲劳实验设备和技术,研究大功率焊点热可靠性及热疲劳失效行为,对于扩大我国在世界电子行业的影响力、竞争力和话语权,保障电子信息产业的安全及节能减排都具有极其重要的实际意义。本项目设计和研制快速热疲劳实验装置,采用SAC305锡球及凸点进行了快速热疲劳试验,研究了极端条件下的锡球及凸点表内部裂纹形成、锡球及凸点界面组织演变,得到主要结论如下:(1)设计了电烙铁加热式快速热疲劳实验装置、机械往复式快速热疲劳实验装置、电磁感应加热式快速热疲劳实验装置。经过加热源、降温源、温度控制方式、温度传感器和设备成本对比发现,电磁感应加热式快速热疲劳实验设备效率高,更智能化,商业化可能性高,更能满足快速热疲劳实验条件,是其理想选择。试制了电磁感应加热式快速热疲劳实验设备,试验平台的温度范围为-15~190℃,升降温时间各为12s,一个周期24s,其升降温速率达17.08℃/s,完全能够满足设计和实际使用要求。(2)0.1g锡球表面裂纹的萌芽期为400周期,0.2g~0.3g锡球表面裂纹的萌芽期为650周期,0.3g~0.4g锡球表面顶部的位置出现了一个“X”型网格裂纹,0.4g锡球表面裂纹的扩展速率明显低于0.1g锡球。随着快速热疲劳周期增加,氧化膜不断增厚,体积膨胀,氧化膜生长应力很突出或者不能通过蠕变等释放,内表面将会出现氧化膜的破裂。金属氧化膜曲率越大,Mises应力和等效塑性应变越大,锡球表面越容易产生裂纹。裂纹的出现会迅速释放膜内的应力并导致氧化速率发生变化,同时裂纹作为氧元素扩散的快速通道又将对氧化行为直接起到促进的作用。热应力通过增大裂纹宽度这一途径得到了释放,氧化膜上不再产生新的应力集中点,因而裂纹分布稳定后不会产生新的裂纹。(3)在表面裂纹萌芽期,0.2g锡球内部并没有出现裂纹,1500周期时方向性的树枝晶明显增长增多,出现了几条短小的沿晶裂纹;2500周期时树枝晶粗化明显,锡球边缘和靠近边缘处的内部出现了许多裂纹;3500周期时锡球左下角位置出现了两个较大裂纹,裂纹周围组织分化明显;4500周期时,锡球左下角紧贴热源处出现了一条沿温度梯度方向的较大主裂纹,裂纹周围有着很多细小的树枝晶;5500周期时,长条裂纹贯穿了整个锡球,锡球底部也出现许多裂纹,裂纹周边树枝晶沿温度梯度方向生长明显。0.4g锡球内部裂纹扩展较0.2g锡球慢,4500周期时裂纹扩展呈“之”字形分布。在热流作用下,锡球底部优先发生再结晶和晶粒方向性生长,随着热疲劳周期的增加,树枝晶增长增大增多,造成局部应力过大,加之锡球内部的各种缺陷,锡球内部开裂。(4)随着热疲劳周期的增加,常规热疲劳凸点表面粗糙变暗,凸点表面几乎找不到裂纹;快速热疲劳凸点表面逐渐有裂纹形成,表面裂纹分布集中在凸点顶部;随冷却速率的增加,试样表面和芯部的温度梯度增大,热应力增大,裂纹萌生的孕育期缩短,裂纹形成后扩展速率增大;锡球越大变形量越大,凸点受承受的拉应力就越大,凸点越容易开裂。随着常规及快速热疲劳周期的增加,凸点界面出现裂纹,裂纹扩展方向基本成中心对称分布,且裂纹扩展在非常靠近焊盘界面的位置;快速热疲劳的界面裂纹无论在初期和末期,其裂纹的长度和宽度都比常规热疲劳的界面裂纹要大许多;因快速疲劳周期的增加和Cu基板、焊料、氧化膜的膨胀系数不同,导致凸点内部残余应力上升,同时锡球回流体积收缩也会导致凸点内残余应力的上升。因此在快速温度变化下凸点界面更加容易产生裂纹。(5)无论是常规热疲劳还是快速热疲劳,凸点界面IMC厚度几乎都在2~3μm之间变化。在快速热疲劳的初期,三种不同尺寸凸点界面IMC的变化较大,随后界面IMC的增长速率明显变缓,最后趋近平稳状态与初始周期的厚度相当,而常规热疲劳凸点界面IMC厚度比初始周期要高1μm左右。5500周期时,常规热疲劳凸点(0.2g、0.3g、0.4g)剪切强度分别为24.80MPa、24.69MPa和20.97MPa,较未热疲劳分别降低了35.68%、36.87%和43.49%;快速热疲劳凸点(0.2g、0.3g、0.4g)剪切强度分别为23.53MPa、19.08MPa和18.52MPa,较未热疲劳分别降低了38.98%、51.21%和50.09%,快速热疲劳剪切强度下降趋势更大。随着凸点直径的增大,断口处韧窝的宽度和深度变小变浅,断裂方式主要是韧性断裂为主。随着热疲劳周期的增加,焊料组织内部晶粒增大,树枝状晶增多和裂纹增多,断裂方式由韧性断裂向脆性断裂转变。