低銀無鉛微焊點多場耦合服役下界面演化及損傷機理

《低銀無鉛微焊點多場耦合服役下界面演化及損傷機理》是依託哈爾濱理工大學，由孫鳳蓮擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：低銀無鉛微焊點多場耦合服役下界面演化及損傷機理
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：孫鳳蓮
• 依託單位：哈爾濱理工大學

項目摘要

微電子封裝實施無鉛化以來，SnAgCu釺料做為SnPb釺料的替代品備受業界的關注，但仍存在兩個亟待解決的問題：（1）目前主流的SnAgCu釺料含銀量大於3%，成本較高；（2）高銀無鉛釺料焊點脆性較高，不耐衝擊和振動，難以滿足受衝擊類電子產品的使用要求。因此，研製低成本、高可焊性和抗衝擊性好的低銀無鉛釺料是關注的焦點。本項目以本研究室開發的一種低銀無鉛釺料SACNiBi和目前常用的SAC305為主要載體，結合實驗和數值模擬，研究不同的基底材料與釺料匹配時在電、熱、力多場耦合下界面IMC層、界面微孔洞和裂紋的形成與演變機制；揭示在電、熱、力多場耦合下的焊點損傷規律；分析銀含量及添加微量元素對微焊點界面結構在時效過程中演變規律及壽命的影響；建立多場耦合服役下微焊點細觀尺度下的強韌性指標與界面結構及壽命的關係模型；為低銀無鉛微互連焊點的可靠性設計提供理論參考。

結題摘要

電子產品的微型化、多功能化和系統化，使得板級封裝互連微焊點的服役環境越來越苛刻。實際服役條件往往是多載荷的疊加，因此本項目研究多場耦合條件下，低銀無鉛微焊點的界面演變、電遷移損傷特徵與焊點失效機制，建立多場耦合作用下的微焊點疲勞損傷本夠模型。其主要研究內容及結論如下： 分別以SAC305/Cu和SACBN07/Cu為載體，對比分析高、低銀釺料在熱-電-力單場、多場耦合條件下的界面化合物（IMC）的演變行為，電遷移行為和斷裂行為；揭示了低銀與高銀無鉛微焊點的疲勞損傷模式及微量元素的作用；建立了高溫時效-IMC演變及Cu盤消耗的本構模型。 揭示了熱-電耦合時效IMC的生長演變規律：電載荷作用下，回流焊過程中陰、陽極兩側IMC層厚度變化明顯不同。陽極側，載入過程中IMC層厚度明顯增厚，IMC晶粒尺寸逐漸增大，近IMC/Cu界面處以晶粒間合併長大為主。相同載入時間後，電流密度較大的焊點中，陰極側銅焊盤消耗較大，IMC層晶粒尺寸較小，陽極IMC晶粒尺寸較大且晶粒排列更加緻密。 採用應變測量和快速傅立葉變換(FFT)相結合的方法，研究了溫度-電-振動耦合下PCB板的頻率回響和形變特徵。結果表明，僅僅隨著溫度的升高，PCB板的一階固有頻率下降的同時應變峰值並未發生變化；而溫度-電-振動三場耦合條件下，電載荷導致PCB板溫度分布不均勻，其一階固有頻率降低的同時應變幅值顯著下降。 套用統計學分析的方法，研究了溫度-振動耦合下微焊點的失效模式和機制。結果表明，在一定溫度範圍(100oC)內和激振水平下，溫度提高，使得裂紋擴展路徑由IMC與銅焊盤處逐漸擴展到體釺料處，由脆性斷裂轉變為韌性斷裂特徵。 設計了熱-電-力耦合下焊點的失效模擬實驗。結果表明：三場耦合作用下，電載荷和溫度(100oC)的施加，。降低了PCB板的應變幅值，焊點的振動載荷降低，提高了互連微焊點的壽命。失效模式統計分析表明，裂紋發生在體釺料區和界面與體釺料的混合區裂。焊點形態呈現明顯的流變並且其內部發生明顯的電遷移現象。當環境溫度突然降低，焊點會迅速失效，PCB板固有頻率升高，焊點振動載荷強度隨之提高。這證實了一定的電流和高溫有利於焊點抗振壽命的提高。建立溫度-振動耦合、溫度-電-振動耦合單變數作用下，焊點壽命預測模型。溫度-振動耦合下焊點壽命呈現“一次函式”模型；溫度-電-振動耦合作用下焊點壽命呈現“二次函式”模型。