论文部分内容阅读
随着电子封装的无铅化和微型化,焊料与衬底金属间生成的界面金属间化合物(intermetallic compound简称IMC)对焊点的可靠性产生了不可忽视的影响。本文工作对IMC层的力学性能进行了理论与实验研究,分析了IMC层在热循环和跌落冲击载荷下对焊点可靠性的影响。1、采用纳米压痕技术对焊点连接各层材料的力学性能进行研究,并对不同工况制备的IMC层进行性能测试。通过对Sn3.OAgO.5Cu焊料、IMC层和Cu焊盘的力学性能进行分析对比,发现IMC层的性能与无铅焊料和Cu的性能存在较大差异,焊点连接层在承受外荷载作用时,IMC周围将产生较大的应力集中,此处为焊点失效的关键位置；不同工艺制备条件(无铅焊料成分、回流焊接次数和焊接曲线的加热因子值)对IMC层的力学性能均存在一定的影响,研究结果为电子封装制备工艺的进一步优化提供了研究基础。2、根据实验结果确定电子封装中IMC层的弹塑性本构关系。采用ANSYS有限元分析软件,结合量纲分析方法和反演分析技术,建立载荷位移曲线与材料弹塑性本构参数之间的联系。根据特征应力和特征应变的概念,建立了无铅焊料Sn3.0Ag0.5Cu内生成Cu3Sn和Cu6Sn5、Sn3.5Ag内生成的Cu6Sn5以及Sn0.7Cu内生成的Cu6Sn5的弹塑性本构关系。3、针对不同时效时间下的IMC厚度测量值,分析时效对焊点抵抗热疲劳能力的影响,对无铅焊点Sn3.OAg0.5Cu、Sn3.5Ag和Sn0.7Cu的热疲劳可靠性进行评估。采用ANSYS有限元分析软件,对焊点在热循环载荷下的力学行为进行分析,并采用修正的Coffin-Manson经验方程对关键焊点进行热疲劳寿命预测。可见PBGA中的关键焊点位于芯片右下方；关键焊点的等效应力最大值随着IMC层厚度值的增大而减小,等效塑性应变最大值随着IMC层厚度值增大而增大；模型中IMC层的厚度对关键焊点的疲劳寿命具有重要的影响,其寿命周期随着IMC层厚度的增大而减小。IMC层厚度为19μm的关键焊点寿命周期比厚度为2μm时下降了21.46%；无铅焊料Sn3.5Ag的热疲劳寿命最大,分别为Sn0.7Cu和Sn3.OAgO.5Cu的2.97倍和1.33倍。4、分析跌落冲击载荷下IMC层厚度对焊点可靠性的影响,讨论了Sn3.5Ag、Sn3.OAgO.5Cu和Sn0.7Cu三种无铅焊点在跌落冲击载荷下的可靠性。按照电子产品板级跌落测试标准(JEDEC Standard JESD22-B111)采用ANSYS/LS_DYNA有限元分析软件和Input-G方法对PBGA在板级跌落条件下的力学行为进行计算。分析表明,IMC层为2μm-19μm与不考虑IMC层(即IMC层厚度为0)时焊点最大剥离应力的差值范围为0.0314～0.1032GPa,相应的增大比例为10.9%～36%；随着IMC层厚度的增大,关键焊点的最大剥离应力值增大,增大的速率从0.0157GPa/μm逐渐减小到0.0009GPa/μm;同时,Sn3.5Ag、Sn3.0Ag0.5Cu和Sn0.7Cu的最大剥离应力值依次增大,分别为0.326GPa,0.391GPa和0.421GPa,表明Sn3.5Ag无铅焊点抵抗跌落冲击载荷的性能更强。