电子封装焊料润湿性的研究

论文摘要

含铅焊料带来的环境问题使得电子封装企业正努力寻求无铅焊料,但无铅焊料在润湿性上表现不足,造成封装企业在新产品上迟迟不愿意采用无铅焊料。同时随着封装密度越来越高,元件尺寸越来越小,引脚间距越来越窄,焊料润湿问题日渐成为回流焊和波峰焊等群焊工艺的一道难以逾越的高峰,因此开展焊料润湿可靠性和结构性能的研究非常必要。在本项目研究中,建立回流曲线量化评价参数——预热、加热、冷却因子,考察了它们对焊点可靠性的影响,总结出优化的回流曲线;结合金相显微镜、电子扫描显微镜和电子能谱等分析方法,对焊膏与基板润湿行为中的界面反应及其影响因素、作用机理进行了深入的研究;采用光杠杆法和动态干涉法第一次测量到回流焊中焊点界面处应力变化,研究了焊料整个回流润湿过程中应力的变化。本试验有希望为封装工业的润湿领域提供设计、工艺、材料等方面的技术支持和指导。本文首先介绍了电子封装材料润湿问题的研究进展、研究方法和基本理论,然后在此基础上指出了本文的研究目的、研究意义、研究方案和拟解决的关键问题。接着提出改进的测量焊料润湿方法,用于分析焊点不良的原因并提供解决方案,实时测量焊球和基板接触角变化,分析得到不同焊膏在本实验条件下的活性范围,总结出动态延展实验方法是通过溶剂的溢出和挥发、焊膏和焊料球的收缩、焊料球的稳定、气泡的生存期这几个方面来评价动态润湿过程的。在回流曲线的优化研究中,引入了三种不同回流因子,即加热因子、预热因子、冷却因子,分别讨论分析了它们对焊点界面处金属间化合物的影响,试验表明界面处金属间化合物的平均厚度随着加热因子的增加而增加,当加热因子不超过800-1000sec?°C,此时合适的金属间化合物厚度会降低焊接凸点缺陷的出现。过高的预热因子,会使焊点表面出现了明显焦化现象。冷却速度慢,使得试样冷却因子较大,焊点内部晶粒的大小和冷却因子呈正比关系,得到类似退火试验的结果。针对不同回流因子,分析了其剪切试验中剪切断面的形貌和成分,表明大部分条件下,断裂一般会发生在焊料内部区域,然而在焊料界面结合较弱时,断裂通常会发生在IMC和基板界面处。总结提出了三种回流因子的合理取值范围,得到了回流炉中63Sn37Pb和Sn3.5Ag0.5Cu的最佳回流曲线,为工业上探索新的回流曲线提供了实验方法。运用基片弯曲法,研究了Ag/Ni多层膜随温度变化的界面应力曲线,在450°C时达到蠕变平衡,计算出此温度下Ag（111）/Ni（111）多层膜的界面能γint为0.63J/m2。改进了光杠杆法测量应力设备,用于反应润湿的应力测量。对63Sn37Pb和Sn3.5Ag0.5Cu焊料在Cu膜硅片上的回流试验,采用不同温度下分别保温90分钟和200分钟,延长了焊料的反应润湿时间,运用金属间化合物的生长模型进行分析,认为Cu、Ni的溶解和扩散在反应润湿过程中促进了金属间化合物的生长,提出了IMC生长带来的组织应力影响回流中界面应力的变化。最后利用频闪照明、显微干涉和计算机微视觉等非接触式技术,结合本实验要求,改建了微机电三维静动态测试系统。对于离面运动测量,采用Hariharan 5步相移干涉（ PSI）算法和去包裹算法,结合运用了等厚干涉原理,第一次用光学方法实现了实时观测回流焊中润湿力的变化情况。运用润湿附着功公式,结合最大润湿力和润湿时间的分析,得到三种应用程度最高焊料的润湿表现,它们的润湿表现按顺序排列从高到低是63Sn37Pb、Sn3.5Ag0.5Cu和Sn3.5Ag焊料。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 润湿问题的提出
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 电子封装焊料润湿行为研究的背景
• 1.2.2 电子封装焊料润湿行为研究
• 1.3 本课题的研究意义及研究内容
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 本课题的研究意义
• 1.3.3 本论文的研究内容
• 2 焊膏润湿性动态测试
• 2.1 前言
• 2.2 动态延展实验
• 2.2.1 不同锡铅焊膏相同环境
• 2.2.2 同种锡铅焊膏不同环境
• 2.2.3 无铅焊膏润湿实验
• 2.3 无铅焊球润湿接触角实验
• 2.4 本章小结
• 3 焊膏回流因子实验
• 3.1 前言
• 3.2 实验原理
• 3.3 实验方案
• 3.4 回流因子实验
• 3.5 本章小结
• 4 光杠杆法测量界面能与润湿性研究
• 4.1 前言
• 4.2 光杠杆法测量界面能实验
• 4.3 光杠杆法测量润湿实验
• 4.4 本章小结
• 5 动态干涉法润湿性实验
• 5.1 实验原理
• 5.2 实验设备与样品
• 5.3 实验结果及讨论
• 5.4 本章小结
• 6 总结
• 6.1 论文创新点
• 6.2 论文主要结论及展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的论文目录
• 附录2 正文有关相图