功率器件SnAgCu无铅焊接层可靠性研究

论文摘要

随着现代电子技术的发展和电子产品的广泛应用,人们对电子产品的依赖越来越强.与此同时,电子产品中铅对环境的污染也受到全世界的关注.实现电子产品的无铅化,是摆在所有电子产品生产厂商面前的问题。而在无铅化生产过程中,还要考虑无铅电子产品的可靠性和生产工艺。焊接层空洞是引起电子器件失效的一种重要因素,同时也是可靠性研究的重要内容之一。本文研究工作主要围绕无铅SnAgCu焊接功率器件可靠性及其焊接工艺改进展开。首先通过功率器件的失效分析,详细分析了空洞引发器件可靠性失效的机理:在加电或温度循环的条件下,空洞周围容易电应力或热应力集中,萌发裂纹;裂纹延伸扩张,生成裂缝,诱发电过载或者直接造成芯片结构的破坏。其次用有限元方法模拟了焊接层空洞对功率器件散热的影响。结果表明,空洞率对散热有较大的影响。当空洞率在50%时,其影响达到了16.12%。再次,用正交设计法研究了焊料,印刷形状,焊盘镀层,回流曲线及预压力对无铅焊层空洞形成的影响,得出控制空洞的优化工艺。结果发现,在现有试验设计及参数窗口内,焊料的种类,印刷的形状及回流曲线对焊接层空洞率的影响比较大,而焊盘镀层和印刷预压力则影响较小。同时对试样进行剖面分析,发现造成焊接层空洞最主要的原因是焊接中浸润不良和助焊剂高温气化。最后,引入了加热因子来着重研究回流曲线。对比不同加热因子的回流曲线对Sn3.0Ag0.5Cu焊接中空洞率的影响,得到当加热因子在1500-2000范围内时,空洞比率达到最小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 概述
• 1.1 无铅焊料研究进展
• 1.1.1 铅的危害
• 1.1.2 无铅化进程
• 1.1.3 常用无铅焊料
• 1.2 表面贴装技术
• 1.2.1 表面贴装技术概述
• 1.2.2 SMT 中的焊接技术
• 1.2.3 无铅化对SMT 产品带来的可靠性问题
• 1.3 功率器件焊接层可靠性问题
• 1.3.1 金属间化合物
• 1.3.2 焊接层空洞
• 1.4 本文研究内容
• 2 焊接层空洞对功率器可靠性影响
• 2.1 空洞对功率器件可靠性影响分析
• 2.2 失效分析概述
• 2.3 试验中用到的部分失效分析工具
• 2.3.1 光学显微镜
• 2.3.2 X-ray 检测仪
• 2.3.3 扫描声学显微镜
• 2.4 空洞影响功率器件可靠性失效分析
• 2.4.1 空洞导致器件EOS 失效
• 2.4.2 空洞导致器件热应力结构失效
• 2.5 本章小结
• 3 焊接层空洞对功率器件散热性能影响的有限元模拟
• 3.1 三维有限元模拟的几何模型和材料参数
• 3.2 网络划分
• 3.3 加载条件
• 3.4 模拟结果与讨论
• 3.5 本章小结
• 4 无铅焊接工艺优化
• 4.1 试验，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 焊膏
• 4.1.5 印刷模板形状
• 4.1.6 贴装压力
• 4.1.7 PCB 板镀层
• 4.1.8 D2pak 器件镀层
• 4.1.9 空洞率的计算
• 4.2 试验结果，数据处理及讨论
• 4.2.1 试验结果
• 4.2.2 正交试验数据分析
• 4.2.3 正交试验结果讨论
• 4.2.4 焊接层空洞形成原因分析
• 4.3 本章小结
• 5 加热因子对焊接工艺的影响
• 5.1 加热因子
• 5.2 试验条件
• 5.3 试验结果及分析
• 5.4 本章小结
• 6 全文总结
• 6.1 总结
• 6.2 需要进一步讨论的问题
• 致谢
• 参考文献
• 附录：攻读硕士学位期间发表论文目录