论文题目: 功率器件无铅焊料焊接层可靠性研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 微电子与固体电子学
作者: 常俊玲
导师: 谢晓明
关键词: 空洞,无铅焊料,可靠性,形成及演化
文献来源: 中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）
发表年度: 2005
论文摘要: 本文研究工作主要围绕无铅焊接及其可靠性展开,论文分为两个大的部分。 第一部分系统研究了焊接层中孔洞对热阻和热机械应力的影响,以及影响孔洞形成的因素。结果表明,空洞率对热阻影响显著,空洞位置对热阻的影响不大,以10%空洞为例,不同典型位置空洞导致热阻的差别小于1%。当空洞处于焊接层中央位置时,空洞率对焊接层等效塑性应变的大小及分布影响较小。和空洞大小相比,空洞位置对焊接层内等效塑性应变的分布有一定的影响。 在现有试验设计及参数窗口内,焊料的种类,回流曲线,焊盘和器件的镀层种类及其氧化程度和焊料高度对焊接层空洞率的影响都比较小,最大空洞率不超过5%。焊接层中空洞较大的样品不论是空洞的生长还是分层及疲劳裂纹都比空洞率较小的样品严重。但是空洞率为33%—48%的试验样品的寿命超过2500热冲击周期。这与模拟结果符合,即焊接层中的空洞率对焊接层热机械可靠性影响较小。 论文第二部分主要探讨了不同构型下形成的金属间化合物（Intermetallic compound,IMC）在时效及热冲击过程中的演变。 在125℃的高温时效过程中,当Cu6Sn5IMC的初始粒度较小时,Cu6Sn5IMC迅速长大。当Cu6Sn5IMC的初始粒度较大时,Cu6Sn5 IMC的粒度变化不明显。 在热冲击实验中,当器件端为Cu热沉,PCB板上使用NiAu镀层时,界面（Cu,Ni）6Sn5长大,但整体形貌没有明显的变化。当PCB板上使用HASL镀层时,界面两层IMC Cu6Sn5和Cu3Sn的厚度同时长大,形貌由贝壳状转变成层状。 当器件端为Cu热沉,PCB板上采用HASL镀层时,在时效和热冲击过程中,界面有Kirkendall孔洞形成,并且Kirkendall孔洞在器件/焊料界面的聚集成为热冲击失效的主要原因。当PCB板上采用NiAu镀层时,直到热冲击2500周界面都没有发现Kirkendall孔洞。
论文目录:
摘要
ABSTRCT
第一章 引言
1.1 无铅焊料研究进展
1.1.1 铅的危害及环境问题
1.1.2 铅在焊料中起的作用
1.1.3 无铅化的规划及进展
1.1.4 一些常用无铅焊料的组成
1.1.5 无铅焊料的性能
1.1.6 无铅焊料的其他相关问题
1.2 功率器件焊接层可靠性研究概述
1.2.1 焊接层中的空洞
1.2.2 界面IMC的生长机理
1.2.3 热疲劳失效
1.3 本论文的主要研究内容
第二章 焊接层内空洞对功率器件散热影响的有限元模拟
2.1 三维(3D)有限元模拟的几何模型和材料参数
2.2 网络划分和加载条件
2.3 模拟结果与讨论
2.4 本章小结
第三章 焊接层内空洞对焊接层热冲击可靠性影响的有限元模拟
3.1 焊料的力学行为及其本构方程
3.2 粘塑性Anand木构方程
3.3 三维(3D)有限元模拟的几何模型和材料参数
3.4 加载条件和边界条件
3.5 模拟结果
3.5.1 焊料的应力应变环
3.5.2 焊接层内等效塑性应变的分布
3.5.3 SnAgCu焊料的等效塑性应变范围与塑性功
3.5.4 焊点疲劳寿命预测
3.6 讨论
3.7 本章小结
第四章 焊接层内空洞的形成
4.1 实验、样品制备和检测
4.1.1 样品简介
4.1.2 试验过程
4.1.3 回流曲线
4.1.4 器件和焊盘的表面氧化
4.1.5 热重分析
4.1.6 空洞率的计算
4.2 试验结果和讨论
4.2.1 回流时间对空洞率的影响
4.2.2 镀层种类对空洞率的影响
4.2.3 器件及焊盘氧化对空洞率的影响
4.2.4 锡膏厚度对空洞率的影响
4.2.5 比较SnAgCu和SnPb两种焊料对空洞率的影响
4.3 本章小结
第五章 焊接层内的空洞对焊接层热冲击可靠性的影响
5.1 实验方法和检测
5.1.1 样品信息
5.1.2 热冲击实验及测试
5.2 实验结果
5.2.1 空洞的生长和分层
5.2.2 焊接层中的裂纹和疲劳
5.2.3 染色试验和断裂界面分析
5.3 讨论
5.3.1 焊接层的主要退化机理
5.3.2 空洞对焊接层可靠性的影响
5.4 本章小结
第六章 金属间化合物的生长
6.1 实验设计和样品制备
6.1.1 时效实验
6.1.2 热冲击实验
6.2 试验结果
6.2.1 时效过程中界面IMC形貌的演化
6.2.2 热冲击过程中界面IMC形貌的演化
6.2.3 热冲击过程中IMC的生长速率
6.3 讨论
6.3.1 时效过程中界面IMC的生长
6.3.2 热冲击过程中界面IMC的生长
6.4 本章小结
第七章 Cu-Ni-Sn三元金属间化合物的形成
7.1 实验设计和样品制备
7.2 试验结果
7.2.1 第一种结构的样品在SnPb／Ni界面的IMC
7.2.2 第二种结构的样品存SnPb／Ni界面的IMC
7.2.3 第三种结构的样品在SnPb／Ni界面的IMC
7.2.4 (Cu)-Ni-Sn IMC组成成分和XDR分析
7.3 关于(Cu)-Ni-Sn IMC的讨论
7.4 本章小结
第八章 本文总结及需要进一步讨论的问题
8.1 总结
8.2 需要进一步讨论的问题
参考文献
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致谢
个人简历
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发布时间: 2006-02-08
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