Sn58Bi焊料热界面材料热循环作用下性能与损伤研究

论文摘要

随着芯片的散热量不断增大,热界面材料在微电子工业中已成为人们广为关注的一类材料。Sn基焊料合金由于其较高的导热性能而成为最有前景的新一代热界面材料之一,但Sn基焊料合金作为热界面材料的可靠性尚缺乏系统的研究工作。本文选择Sn58Bi焊料作为研究对象,研究了Si/Sn58Bi/Cu三明治结构样品经热循环后传热性能的变化和微观组织结构的演变规律,初步讨论了SnBi热界面材料在热循环条件的服役行为机理。研究表明,Sn58Bi合金焊料在经过1000周的热循环后,热阻的阻值由初始时的0.0542cm2·k/w上升到0.0628cm2·k/w,上升了约15.87%。热阻的上升主要是由裂纹的萌生及扩展引起的,其中裂纹的萌生比扩展更能影响其传热性能。对界面微观组织的观察发现：由于热膨胀系数的差异,裂纹首先在靠近Si侧与界面成45℃方向的焊料内部萌生,且多出现在Sn、Bi的相界处。随着循环周次的增加,裂纹主要沿宽度方向扩展。靠近Cu侧焊料中裂纹出现的较迟,其扩展速率也较为缓慢。此外,热循环实验后SnBi焊料的Sn相和Bi相均明显粗化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微电子封装技术概述
• 1.2.1 微电子封装技术的发展历程
• 1.2.2 微电子封装技术的现状及发展趋势
• 1.2.3 微电子封装技术的分级
• 1.2.4 微电子封装散热设计
• 1.3 热界面材料
• 1.3.1 导热硅脂
• 1.3.2 导热凝胶
• 1.3.3 相变材料
• 1.3.4 相变金属合金
• 1.3.5 焊料
• 1.4 焊料无铅化的进程
• 1.4.1 SnPb焊料
• 1.4.2 无铅焊料的必然性
• 1.4.3 常用的无铅焊料
• 1.5 研究内容及意义
• 第二章 热阻的测量方法及计算方法
• 2.1 热导率的测量方法
• 2.2 闪光法
• 2.2.1 闪光法测试原理
• 2.2.2 闪光法实验装置与实验方法
• 2.3 热阻的计算
• 第三章 Si/Sn58Bi/Cu样品的制备与实验方法
• 3.1 制备样品
• 3.1.1 合金的制备
• 3.1.2 硅表面金属镀层的制备
• 3.1.3 Si/Sn58Bi/Cu样品的制备
• 3.2 热循环实验
• 第四章 Si/Sn58Bi/Cu样品热循环作用下热阻及微观结构的变化
• 4.1 引言
• 4.2 Ni-P镀层表征
• 4.3 热循环作用下Sn58Bi热界面材料传热性能的变化
• 4.4 热循环作用下截面裂纹的萌生与扩展
• 4.5 界面处金属间化合物的变化
• 4.6 焊料显微组织的变化
• 结论
• 致谢
• 参考文献