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基于纳米压痕法的无铅BGA焊点力学性能及其尺寸效应研究

2020-11-22阅读(171)

基于纳米压痕法的无铅BGA焊点力学性能及其尺寸效应研究

论文摘要

随着微电子封装焊点尺寸的微型化,微连接尺寸效应对焊点的本构方程产生不可忽视的影响。本文采用纳米压痕测量技术直接对微电子封装BGA焊点的本构方程进行了研究,并与拉伸试样结果进行对比,从而对焊点本构方程的尺寸效应进行系统的研究。对铸态Sn-37Pb共晶和Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅钎料标准拉伸试样进行纳米压痕测试所得到的力学性能参数—弹性模量及蠕变应力指数,与标准拉伸试样进行拉伸蠕变测试的结果完全一致,表明了纳米压痕技术在研究钎料合金力学性能参数上的可靠性和可行性。为钎料合金力学性能的测试提供了一种新的手段。压痕测试的初步结果发现钎料合金和微电子封装BGA焊点的本构方程都具有明显的尺寸效应,从而丰富了微连接的定义。焊点的尺寸效应表明,采用基于传统标准拉伸试样拉伸蠕变测试所得到的本构方程不能对微电子封装焊点作出准确的评价。基于微电子封装焊点的直接测试,纳米压痕技术可以得到包含焊点尺寸效应的本构方程,为焊点可靠性更准确的研究提供了一种新的思路。基于纳米压痕测试的焊点本构方程与基于拉伸蠕变测试的铸态标准拉伸试样本构方程间可以通过弹性模量KE、蠕变应力指数Kn和蠕变激活能尺寸效应因子KΔH建立起联系。K > 1或K < 1分别反映焊点力学性能参数由于尺寸效应的关系是增强或弱化。依据Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅钎料微电子封装BGA焊点与拉伸试样铸态体钎料的组织特征,提出了焊点本构方程尺寸效应的尺寸拘束与组织拘束的应变梯度塑性机制。BGA焊点尺寸为微米数量级,与钎料合金内禀特征长度尺度处于同一数量级,压痕变形过程中启动了钎料合金内禀特征长度尺寸,导致焊点的尺寸效应。同时,组织拘束导致Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅微电子封装BGA焊点的组织得到明显细化,由于弥散分布的金属间化合物颗粒相及富Sn相与共晶相晶粒边界滑移的不匹配性而出现应变梯度,应变梯度产生几何必须位错,由Orowan颗粒强化和Hall-Petch效应细晶强化阻碍几何必须位错的运动,从而导致尺寸效应。鉴于Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅微电子封装BGA焊点界面金属间化合物对焊点

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 主要符号表
  • 第1章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 无铅钎料SMT焊点可靠性的研究现状
  • 1.2.1 无铅钎料的合金成分
  • 1.2.2 无铅钎料SMT焊点的可靠性
  • 1.2.3 无铅钎料合金的本构方程
  • 1.2.4 传统SMT焊点可靠性评价过程中存在的问题
  • 1.2.5 本课题的选题基础
  • 1.3 纳米压痕技术在材料研究中的应用
  • 1.4 主要研究内容
  • 第2章 基于纳米压痕法的力学性能测试原理和试验方法
  • 2.1 引言
  • 2.2 纳米压痕测试及其分析方法
  • 2.2.1 基本组成部分
  • 2.2.2 压痕法测量硬度和弹性模量的原理
  • 2.2.3 压痕法测量塑性性能的原理
  • 2.2.4 压痕法测量蠕变性能的原理
  • 2.2.5 测量蠕变性能参数的Ma方法有限元验证
  • 2.3 试验材料成分
  • 2.4 样品的制备
  • 2.4.1 BGA焊点的制作
  • 2.4.2 界面处金属间化合物的制作
  • 2.4.3 压痕实验的设备及样品的制备
  • 2.5 标准试样的拉伸及高温蠕变测试
  • 2.6 本章小结
  • 第3章 基于纳米压痕的Sn-Ag-Cu无铅钎料微电子封装BGA焊点的本构方程及其尺寸效应研究
  • 3.1 引言
  • 3.2 基于传统拉伸测试的钎料合金本构方程研究
  • 3.3 铸态拉伸试样的纳米压痕力学行为
  • 3.4 铸态BGA小球的纳米压痕力学行为
  • 3.5 微电子封装BGA焊点的纳米压痕力学行为
  • 3.6 钎料合金本构方程的尺寸效应及尺寸效应因子的提出
  • 3.6.1 钎料合金本构方程的尺寸效应分析
  • 3.6.2 微电子封装焊点本构尺寸效应因子的提出
  • 3.7 本章小结
  • 第4章 Sn-Ag-Cu无铅钎料微电子封装BGA焊点本构尺寸效应的微观力学机制
  • 4.1 引言
  • 4.2 应变梯度塑性理论
  • 4.2.1 应变梯度理论的起源
  • 4.2.2 偶应力应变梯度塑性理论的控制方程
  • 4.2.3 基于应变梯度塑性理论的压痕尺寸效应分析
  • 4.3 应变梯度塑性在Sn-Ag-Cu钎料BGA焊点压痕中的应用
  • 4.4 本章小结
  • 第5章 Sn-Ag-Cu无铅钎料微电子封装BGA焊点界面IMC的压痕力学行为
  • 5.1 引言
  • 6Sn5和Cu3Sn化合物相的压痕P-h曲'>5.2 界面Cu6Sn5和Cu3Sn化合物相的压痕P-h曲
  • 6Sn5的非连续塑性变形和Cu3Sn的连续塑性变'>5.2.1 Cu6Sn5的非连续塑性变形和Cu3Sn的连续塑性变
  • 5.2.2 加载速率对IMCs压痕P-h曲线的影响
  • 6Sn5压痕锯齿流动的应变速率相关性'>5.2.3 Cu6Sn5压痕锯齿流动的应变速率相关性
  • 6Sn5和Cu3Sn化合物相的压痕形'>5.3 界面Cu6Sn5和Cu3Sn化合物相的压痕形
  • 6Sn5和Cu3Sn化合物相的力学性能确'>5.4 界面Cu6Sn5和Cu3Sn化合物相的力学性能确
  • 6Sn5和Cu3Sn IMC相的弹塑性'>5.4.1 界面Cu6Sn5和Cu3Sn IMC相的弹塑性
  • 6Sn5 IMC相断裂韧度'>5.4.2 界面Cu6Sn5IMC相断裂韧度
  • 5.5 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读博士学位期间所发表的学术论文
  • 哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明
  • 哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书
  • 致谢
  • 个人简历

    • 相关论文文献

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