SAC305/Cu焊点可靠性研究

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近年来,随着全球无铅化推进,Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305)钎料因其良好综合性能成为传统Sn-37Pb材料的替代品之一。然而,SAC305钎料焊点界面金属间化合物的生长较快,脆性的IMC降低焊点可靠性。因此,研究SAC305无铅钎料界面IMC层的生长动力学至关重要。为解决上述问题,本工作使用双辊快速凝固技术改善SAC305钎料组织性能,并在其基础上添加了Bi元素,研究钎焊工艺、等温时效和电迁移过程中界面IMC层的生长行为,探究焊点可靠性。研究钎焊时间对IMC层的影响,结果表明,普通铸造轧制SAC305(Casting and Rolling,CR)钎料制备焊点界面IMC层厚度随着钎焊时间的延长逐渐增加,IMC层形貌转变为连续均匀的扇贝状,最后有向平面层状转变的趋势,经过对比发现较合适的钎焊时间为20s,此时IMC层厚度为4.48μm。快速凝固(Rapid Solidification,RS)技术能抑制钎焊过程中IMC层的生长,界面IMC层形貌较均匀且厚度更薄,钎焊20s后IMC层厚度为3.63μm;在快速凝固SAC305钎料中添加Bi元素后,焊点界面IMC层厚度进一步降低,厚度为3.41μm,生长受到明显抑制作用。等温时效实验结果表明:三种焊点界面IMC在时效过程中不断生长变厚,时效温度越高,界面IMC生长越快;电子探针结果显示:随着时效时间的增长,生长速率逐渐减小趋于稳定界面IMC层由原来的扇贝状逐渐趋于平面状结构。通过线性拟合得出,普通SAC305/Cu焊点在不同时效温度下扩散系数分别为DCR1=5.81×10-20m~2/s,DCR2=9.37×10-19m~2/s,DCR3=8.31×10-17m~2/s。快速凝固SAC305/Cu焊点扩散系数分别为DRS1=4.67×10-19m~2/s,DRS2=5.76×10-19 m~2/s,DRS3=5.66×10-17m~2/s。在快速凝固SAC305钎料中添加Bi元素后,扩散系数分别为DBi1=1.24×10-21m~2/s,DBi2=9.73×10-20m~2/s,DBi3=2.28×10-18m~2/s。与普通SAC305/Cu焊点相比,快速凝固SAC305/Cu焊点界面IMC层生长激活能由15.56KJ/mol增加到19.01KJ/mol,在钎料中添加Bi元素后,IMC层激活能为24.33KJ/mol。三种焊点IMC层动力学指数n均接近0.5,IMC层生长均由体积扩散控制。快速凝固技术与Bi元素添加都能有效抑制时效过程中界面IMC层的生长,增加焊点可靠性。电迁移实验研究发现,通电过程中,普通SAC305/Cu焊点阳极侧界面IMC层厚度增加,阴极侧界面IMC层厚度减小,两极界面IMC层厚度相差越来越大,出现明显的极性效应。并且,随着Cu原子在阳极堆积,阳极侧钎料基体出现凸起。与普通SAC305/Cu焊点相比,快速凝固阴极侧界面IMC层厚度出现先增加后减小的趋势,但阳极侧界面IMC层厚度较普通焊点增长过快。快速凝固技术虽然缓解了焊点阴极侧IMC层的溶解,但使得阳极侧界面IMC层厚度增过快,快速凝固技术优势并不明显。添加Bi元素后发现,焊点阳极侧IMC层生长速度变慢,阴极侧界面IMC层溶解状况也有所缓解,Bi元素添加对焊点电迁移行为有抑制作用。焊点阳极侧IMC层的生长符合抛物线规律,生长过程由体积扩散控制。
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