无铅电子封装中的界面反应及焊点可靠性

论文摘要

随着无铅转换的日益临近，无铅电子封装中多种材料的介入，使得封装结构中的材料界面反应更为复杂，这些界面反应对无铅封装的可靠性具有重要的影响。本文对无铅电子封装中的界面反应和焊点可靠性进行了系统的研究。 本文研究了引线框架铜合金与SnAgCu焊料的液态和固态界面反应，考察了铜合金中的微量添加元素对金属间化合物的形成和长大的影响，发现含Ni铜合金界面上形成（Cu，Ni）6Sn5三元金属间化合物，其形貌相对其他铜合金中的典型岛状结构显得更为平坦，Ni的存在还抑制了Cu3Sn相的形成。而铜合金中的Sn元素对Cu3Sn相的生长具有促进作用。 本文研究了实际焊点的液态和固态界面反应，发现当两界面镀层材料不同时，两界面之间普遍存在耦合效应，即一端的金属原子可以扩散到另一端参加界面反应，从而形成三元金属间化合物。耦合效应不仅对界面金属间化合物的形貌、成分和厚度具有重要的影响，还会影响金属镀层的消耗率。在Cu-SnAgCu-Ni构型中，由于耦合效应，Cu的消耗加剧而Ni层的消耗受到抑制。该现象对焊点可靠性的设计和评估具有重要指导意义。 本文研究了FeNi42合金引脚TSOP器件与不同表面镀层（OSP，ENIG）的PCB板在不同条件下互连形成的SnAgCu焊点在跌落和温度循环条件下的可靠性。在跌落条件下，使用ENIG镀层焊点寿命优于OSP镀层；三次回流焊点寿命优于单次回流；而等温时效导致焊点寿命降低。在温度循环条件下，使用OSP镀层焊点的寿命比使用ENIG镀层时更佳。结果表明焊点的可靠性与外应力类型及强度、焊点内应力强度、界面金属间化合物类型及结构、焊点微观组织结构等因素密切相关。焊点可靠性的评估必须清楚指明实验构型及条件，否则很容易产生误导甚至是错误的结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 无铅化的发展概况
• 1.1.1 无铅化的驱动力
• 1.1.2 无铅焊料的发展
• 1.1.3 无铅材料与工艺的优化
• 1.2 无铅电子封装中的界面反应
• 1.2.1 SnAgCu与Cu的反应
• 1.2.2 SnAgCu与Ni的反应
• 1.2.3 界面反应中的耦合效应
• 1.3 无铅电子封装的可靠性
• 1.3.1 热应力对焊点可靠性的影响
• 1.3.2 电子封装的跌落可靠性
• 1.4 本文的研究内容与目的
• 第二章 铜引线框架合金中微量元素对界面反应的影响
• 2.1 实验方法
• 2.2 实验结果
• 2.2.1 界面微观组织的演变
• 2.2.2 晶粒的三维形貌演变
• 2.2.3 固态反应中金属间化合物的生长动力学
• 2.3 讨论
• 2.3.1 Ni对金属间化合物形成的影响
• 2.3.2 固态反应中金属间化合物的长大
• 2.3.3 Cu3Sn的形成和长大
• 2.4 本章小结
• 第三章 SnAgCu三明治结构焊点的液相界面反应
• 3.1 实验方法
• 3.2 实验结果
• 3.2.1 X射线衍射分析
• 3.2.2 界面金属间化合物的形貌和成分
• 3.2.3 金属间化合物晶粒的三维形貌
• 3.2.4 FeNi-SnAgCu-Cu焊点的界面反应
• 3.3 讨论
• 3.3.1 金属间化合物的物相分析
• 3.3.2 三元金属间化合物的形成
• 3.3.3 实验参数对界面反应的影响
• 6Sn5三维形貌的变化'>3.3.4 三元（Cu，Ni）₆Sn5三维形貌的变化
• 3.3.5 三明治焊点中的耦合机制
• 3.4 本章小结
• 第四章 SnAgCu三明治结构焊点的固态界面反应
• 4.1 实验方法
• 4.2 实验结果
• 4.2.1 界面微观组织的演变
• 4.2.2 界面金属间化合物的成分演变
• 4.2.3 金属间化合物的生长及金属层的消耗
• 4.3 讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 SnAgCu焊点的跌落可靠性
• 5.1 实验方法
• 5.1.1 测试板的制备
• 5.1.2 跌落测试方法
• 5.1.3 分析与检测
• 5.2 实验结果
• 5.2.1 染色实验结果
• 5.2.2 金相分析结果
• 5.2.3 断裂路径和断裂模式
• 5.2.4 界面微观组织
• 5.3 讨论
• 5.3.1 PCB板表面镀层的影响
• 5.3.2 工艺条件的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 SnAgCu焊点的温度循环可靠性
• 6.1 实验方法
• 6.2 实验结果
• 6.2.1 染色实验结果
• 6.2.2 金相观察结果
• 6.2.3 界面微观组织的演变
• 6.3 讨论
• 6.3.1 断裂机制
• 6.3.2 PCB板镀层对可靠性的影响
• 6.3.3 温度循环和跌落测试下可靠性的对比
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文总结及展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 本文的创新点
• 7.3 下一步工作的展望
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 作者简历
• 学位论文独创性声明
• 学位论文使用授权声明