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钎料熔滴/焊盘瞬间接触液固反应及界面组织演变

2020-11-23阅读(526)

钎料熔滴/焊盘瞬间接触液固反应及界面组织演变

论文摘要

凸点制作是高密度电子封装的关键环节,凸点质量直接影响到封装的可靠性。钎料熔滴凸点制作（Molten Solder Droplet Bumping,简称MSDB）适应于高密度封装要求,有明显的优点。MSDB方法是通过钎料熔滴携带热量加热焊盘并形成冶金连接。针对MSDB的工艺研究发现,钎料熔滴初始温度是形成可靠凸点的主要影响因素。获得可靠的MSDB凸点要求钎料熔滴初始温度必须高于一定的最低温度。例如对0.76mmSnPb钎料熔滴在Au/Ni/Cu焊盘上制作MSDB凸点,熔滴初始温度低于300℃时,钎料与焊盘的接合强度很低甚至没有连接。通过有限元计算得到MSDB瞬间接触液固反应时间约为30ms。与红外或热风重熔相比,MSDB的液固反应时间很短,与激光重熔更为类似。但激光重熔有典型的钎料加热过程,而MSDB是单纯的钎料温度下降过程,液态钎料未达到温度平衡即完成凝固。基于MSDB方法,本文分别在Au/Ni/Cu焊盘上制作了SnPb及SnAgCu钎料凸点,在Cu焊盘上制作了SnPb钎料凸点。研究了MSDB过程中钎料熔滴与焊盘界面的瞬间接触液固反应。并对MSDB凸点/焊盘在随后的再次重熔液固反应及老化固态反应条件下界面组织演化进行了系统研究。采用SnPb共晶钎料与Au/Ni/Cu焊盘研究了钎料熔滴初始温度对熔滴与焊盘瞬间接触液固反应的影响。随着熔滴初始温度的提高,钎料熔滴与焊盘反应形成的Au-Sn化合物形态及分布不同。研究表明,同样熔滴初始温度参数下,预热焊盘较未预热焊盘的界面反应更为强烈。对MSDB与红外重熔、激光重熔制作凸点所形成凸点/焊盘界面组织进行了比较研究。建立了钎料熔滴/焊盘三维有限元传热模型。推算了Au在熔融SnPb钎料中溶解速度随钎料温度升高的变化。进行了SnPb钎料熔滴与Au/Ni/Cu焊盘反应动力学研究,建立了Au焊盘在钎料熔滴中溶解过程控制方程。钎料熔滴与焊盘瞬间接触液固反应过程中,Au向钎料中迅速溶解。在凝固过程能够达到饱和溶解极限而析出Au-Sn化合物。同样工艺规范下,与SnPb钎料相比,SnAgCu钎料熔滴与An/Ni/Cu焊盘界面反应更为迅速。对SnPb钎料熔滴在Cu焊盘上形成MSDB凸点,其凸点/焊盘界面化合物为Cu6Sn5。Au/Ni/Cu焊盘上的MSDB凸点经过红外再重熔后界面处的AuSn4消失,Au层全部溶进钎料内部。SnPb钎料与Ni层反应形成Ni3Sn4界面化合物,进入钎料基体内部的AuSn4按分解-扩散-析出机制向远离界面的钎料内

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 选题意义
  • 1.2 钎料凸点制作技术
  • 1.3 新的熔滴直接凸点制作方法
  • 1.4 钎料与焊盘界面反应研究
  • 1.4.1 SnPb 钎料/Cu 焊盘界面反应研究现状
  • 1.4.2 SnPb 钎料/Au/Ni/Cu 焊盘界面反应研究现状
  • 1.4.3 无铅钎料（SnAgCu）与焊盘界面反应研究现状
  • 1.5 金属间化合物生长动力学研究现状
  • 1.5.1 液固反应条件下金属间化合物生长动力学
  • 1.5.2 固态反应条件下金属间化合物生长动力学
  • 1.6 凸点可靠性剪切实验评价方法
  • 1.7 本文研究内容
  • 第2章 钎料熔滴凸点制作工艺
  • 2.1 论文研究过程
  • 2.2 试验材料
  • 2.3 试验方法及设备
  • 2.3.1 凸点制作设备及原理
  • 2.3.2 钎料凸点剪切强度测试
  • 2.3.3 SEM 及EDX 分析
  • 2.4 钎料熔滴凸点制作工艺参数
  • 2.5 本章小结
  • 第3章 钎料熔滴与焊盘瞬间接触液固反应
  • 3.1 引言
  • 3.2 SnPb 钎料熔滴与Au/Ni/Cu 焊盘界面反应
  • 3.2.1 初始温度对熔滴与焊盘液固反应影响
  • 3.2.2 焊盘预热对熔滴与焊盘液固反应影响
  • 3.2.3 焊盘预热对MSDB 凸点剪切载荷的影响
  • 3.3 钎料熔滴凸点制作与重熔凸点制作比较
  • 3.4 钎料熔滴与焊盘传热过程分析
  • 3.4.1 有限元模型建立
  • 3.4.2 凸点形成过程中温度场分布
  • 3.4.3 凸点/焊盘界面温度梯度分布
  • 3.4.4 焊盘未预热与预热条件下温度场比较
  • 3.5 钎料熔滴/焊盘界面溶解过程分析
  • 3.5.1 Au 在钎料熔滴中的溶解速度推算
  • 3.5.2 焊盘在钎料熔滴中溶解方程的建立
  • 3.6 SnAgCu 钎料熔滴与Au/Ni/Cu 焊盘界面反应
  • 3.7 SnPb 钎料熔滴与Cu 焊盘界面反应
  • 3.8 本章小结
  • 第4章 再次重熔液固反应过程界面组织演变
  • 4.1 引言
  • 4.2 凸点再次重熔实验过程
  • 4.3 SnPb 凸点再重熔液固反应界面组织
  • 4.3.1 共晶SnPb 钎料/Au/Ni/Cu 焊盘界面组织演变
  • 4.3.2 Au-Sn 化合物在SnPb 钎料基体中的分布
  • 4.4 SnAgCu 凸点再重熔液固反应界面组织
  • 4.4.1 共晶SnAgCu 钎料/Au/Ni/Cu 焊盘界面组织演变
  • 4.4.2 Au-Sn 化合物在SnAgCu 钎料基体中的分布
  • 4.5 再重熔过程界面金属间化合物生长动力学
  • 4.6 再重熔后凸点剪切强度的测试与分析
  • 4.7 本章小结
  • 第5章 凸点/焊盘界面组织固态反应演变
  • 5.1 引言
  • 5.2 老化实验过程
  • 5.3 MSDB 凸点直接老化界面固态反应研究
  • 5.3.1 SnPb 钎料/Au/Ni/Cu 焊盘界面固态反应
  • 5.3.2 SnPb 钎料/Cu 焊盘界面固态反应
  • 5.3.3 SnPb 钎料/Cu 焊盘反应过程分析
  • 5.3.4 SnAgCu 钎料/Au/Ni/Cu 焊盘界面固态反应
  • 5.4 再重熔后老化凸点/焊盘界面组织演变
  • 5.4.1 SnPb 钎料/Au/Ni/Cu 焊盘界面组织演变
  • 5.4.2 SnAgCu 钎料/Au/Ni/Cu 焊盘界面组织演变
  • 5.5 再重熔后老化条件下界面金属间化合物生长动力学
  • 5.5.1 老化过程中界面化合物厚度变化规律
  • 5.5.2 （Au,Ni）5114 化合物重新沉积动力学分析
  • 5.6 再重熔后老化凸点剪切强度的测试与分析
  • 5.7 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读学位期间发表的学术论文
  • 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
  • 哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理
  • 致谢
  • 个人简历

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