关键词：无铅焊料;;可靠性;;汽车电子;;界面反应;;电迁移
摘 要：随着电子产品不断向微型化以及高性能方向发展,电子封装密度逐渐增大。焊料凸点的尺寸和焊点间节距逐渐减小,导致无铅焊料连接的可靠性问题变得越来越突出。尤其随着自动驾驶技术的发展,汽车电子的可靠性逐渐成为开发者关注的重要问题。另一方面,焊料凸点的尺寸的降低引发一系列电迁移问题。因此评价高可靠性焊料在高温服役下的可靠性,以及抗电迁移性能变得十分必要。本文以IA和MB两种新型汽车电子商用高可靠性焊膏为研究对象,并以常用的Sn3.8Ag0.7Cu(SAC387)和Sn3.0Ag0.5Cu(SAC305)无铅焊膏作为对比,主要从以下三个方面开展研究工作:(1)研究高可靠性合金IA与Cu基板的界面反应,以SAC305为对比,通过对界面化合物的生长方式、速度研究回流时间对界面化合物厚度的影响,优化回流工艺。(2)研究三种无铅焊膏互连焊点回流焊后其焊点组织及界面化合物(intermetallic compound,IMC),以及高温存储(老化)后其焊点微观组织变化规律及界面IMC生长规律及机理。(3)研究互连焊点的抗电迁移性能,通过对其化合物生长方式、阴极孔洞的观察,探究添加元素对互连焊点抗电迁移性能的影响。IA和SAC305焊料与Cu基板在250℃下的回流反应后界面IMC分别由(Cu,Ni)6Sn5和Cu6Sn5组成。IA界面IMC厚度均大于SAC305焊点中界面IMC的厚度。回流时间为5s时,IA焊料与Cu反应不充分,有部分Sn残留在界面IMC内部导致IMC不致密,部分(Cu,Ni)6Sn5呈现出树枝状指向焊料内部。随着回流时间的增加,界面化合物的厚度随回流时间的增加而增加,IA界面IMC变得致密,枝状的界面IMC会脱离界面,剥离到焊点内部,导致界面IMC厚度有所降低。在150℃下高温存储不同时间发现,随着热时效时间的增加,化合物厚度增加,IA焊点中Cu3Sn的厚度生长得到明显抑制,其厚度低于SAC305焊点。IA焊点中偏聚的Bi元素随着热时效的进行而弥散分布在Sn基体中。对使用SAC387的WLCSP互连焊点在125℃、150℃、175℃进行高温存储实验后,开展了焊点中界面化合物生长及柯肯达尔(kirkendall)孔洞的研究。结果表明,对于IA和MB焊料回流后焊点界面化合物为(Cu,Ni)6Sn5,焊点内部为β-Sn、板条状Ag3Sn以及Sn与小颗粒Ag3Sn组成的共晶组织。其中Bi元素弥散分布在Sn基体中,Sb元素在(Cu,Ni)6Sn5中用EDS可以检测到,其含量在1.2at%～1.8at%之间。而在SAC387焊点中界面化合物为Cu6Sn5,焊点内部为β-Sn、板条状Ag3Sn以及Sn与小颗粒Ag3Sn组成的共晶组织。随着时效时间的增加,界面IMC厚度增加。其中IA和MB界面IMC增长速度要小于SAC387。并且在Cu6Sn5/(Cu,Ni)6Sn5与Cu基板之间出现Cu3Sn,在Cu3Sn内部生成kirkendall孔洞,kirkendall孔洞数量也随着时效时间的增加而增加。随着时效温度的提高,界面IMC生长速度提高,kirkendall孔洞数量也明显增多。其中IA和MB界面IMC增长速度要小于SAC387,Cu3Sn内的kirkendall孔洞数量也要小于SAC387。经过对三种焊点界面IMC的扩散激活能的计算,SAC387扩散激活能最小,为66.8KJ/mol,IA的扩散激活能最大,为106.8KJ/mol,而MB的扩散激活能为89.26KJ/mol,扩散激活能越大说明IMC生长速度越小。另外,IA和MB焊点中的晶粒取向较为一致,而SAC387焊点中晶粒取向差别较大。电迁移对IA、MB和SAC387焊点的影响研究结果表明,三种焊点在电迁移过程中均表现出极性效应,即阳极化合物增厚,阴极化合消耗。其中IA焊点和MB焊点阳极化合物增长的速度大于SAC387焊点,而阴极消耗的速度低于SAC387焊点。随着电迁移的进行,IA和MB焊点中的Bi元素偏聚在阳极界面处。综合电迁移的时间以及阴极裂纹宽度和阳极化合物增长速度来看,IA和MB两种焊料的抗电迁移性能不如SAC387焊料。
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