【摘要】：Sn-3.0Ag-0.5Cu、Sn-3.8Ag-0.7Cu釬料是當(dāng)前微電子互連產(chǎn)品中最常用的無鉛釬料合金,但由于該合金中貴金屬Ag含量較高,導(dǎo)致其成本較高。在目前電子產(chǎn)品發(fā)展速度加快,更新?lián)Q代周期不斷縮短的背景之下,如何降低釬料合金的成本,進(jìn)而電子產(chǎn)品的制造成本、從而提高電子產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。但是Ag含量的大幅降低,使得“低銀”Sn-Ag-Cu釬料合金的潤(rùn)濕性能、焊點(diǎn)可靠性等性能下降,影響了其推廣應(yīng)用。本文通過在Sn-0.3Ag-0.7Cu(SAC0307)、Sn-0.5Ag-0.7Cu(SAC0507)合金中加入稀土元素Nd、Pr和稀有元素Ga,系統(tǒng)、深入地研究了其對(duì)SAC0307、SAC0507合金的顯微組織、釬焊性能、焊點(diǎn)力學(xué)性能的影響。首先,通過研究加入0.025、0.05、0.1、0.25以及1wt.%的Nd和Ga后低銀釬料合金顯微組織、熔化特性、力學(xué)性能的變化,得到了微量稀土Nd/Pr和Ga對(duì)低銀合金釬料SAC0307、SAC0507(SAC-xNd合金、SACP-yGa合金)的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)Nd的加入量為0.1 wt.%、而Ga的加入量為0.5 wt.%時(shí),SAC0307、SACP0507釬料具有最佳的綜合性能。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),稀土元素Nd的加入量在0.05~0.1wt.%范圍時(shí),可以顯著降低SAC0307合金的凝固過冷度△T,過冷度降至約原合金的1/4。其次,基于低銀釬料合金的力學(xué)性能表現(xiàn)出的速率相關(guān)性,以SAC-xNd合金為重點(diǎn),研究了應(yīng)變速率(1?10~(-4)s~(-1)、1?10~(-3)s~(-1)、1?10~(-2)s_(-1)、1?10~(-4)s~(-1)、6.7?10~(-4)s~(-1))、溫度載荷(28~oC、80 ~oC、120 ~oC、180 ~oC)對(duì)SAC-xNd合金拉伸變形行為的影響,進(jìn)一步闡述了xNd對(duì)合金力學(xué)響應(yīng)影響的內(nèi)在機(jī)制。研究結(jié)果表明:SAC-0.1Nd合金釬料的應(yīng)變速率敏感指數(shù)m值最大,具有最佳的抗頸縮能力,最小的激活能值(45.3 KJ/mol),并表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度與塑性。再次,將釬料合金置于大氣條件下、加熱到245℃進(jìn)行液態(tài)氧化,研究了Nd和Ga的加入對(duì)釬料合金抗氧化能力的影響。結(jié)果表明:微量Nd和Ga元素加入可以顯著提高合金的抗氧化能力。理論分析表明:這是由于Nd、Ga在液態(tài)金屬表面的“富集作用”,在金屬表面生成一層致密的(Sn,Ga/Nd)O復(fù)合氧化膜,從而阻止了氧化的繼續(xù)進(jìn)行。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)Ga含量達(dá)到0.5wt%或Nd達(dá)到0.1wt%時(shí),釬料合金的抗氧化性能最好,在銅板上的潤(rùn)濕性能最佳。最后,基于微焊點(diǎn)是互連結(jié)構(gòu)的載體,在研究確定了釬料合金最佳化學(xué)成分的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了時(shí)效存儲(chǔ)對(duì)釬料合金焊點(diǎn)的力學(xué)性能的影響。研究了不同含量稀土Nd/Pr和Ga混合添加對(duì)回流焊以及時(shí)效條件下SAC微焊點(diǎn)抗剪強(qiáng)度的影響,并對(duì)時(shí)效過程中SAC-xNd、SACP-yGa/Cu焊點(diǎn)組織演變規(guī)律進(jìn)行了深入研究,闡明了Nd和Ga的添加對(duì)SAC焊點(diǎn)力學(xué)性能以及組織的演變規(guī)律。綜合研究結(jié)果表明,微量Nd、Ga元素的添加不僅可以提高低銀SAC微焊點(diǎn)抗剪強(qiáng)度,還可以提高低銀SAC釬料焊點(diǎn)的可靠性,同時(shí)添加Pr、Ga亦得到了相似效果。在150℃時(shí)效過程中,焊點(diǎn)力學(xué)性能雖然隨著時(shí)效時(shí)間的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì),但是仍然高于未添加Nd和Ga元素的低銀SAC微焊點(diǎn)抗剪強(qiáng)度。經(jīng)過成分優(yōu)化研發(fā)的Sn-0.3Ag-0.7Cu-0.1Nd、Sn-0.5Ag-0.7Cu-0.05Pr-0.5Ga釬料可以替代含銀3.0wt.%、3.8wt.%的Sn-3.0Ag-0.7Cu、Sn-3.8Ag-0.7Cu釬料,具有良好的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG425
【圖文】：

圖 1.1 倒裝芯片焊點(diǎn)與 BGA 焊點(diǎn)示意圖[7]通孔技術(shù)（Through Silicon Via, TSV）和銅柱凸點(diǎn)技術(shù)、微凸點(diǎn)技術(shù)的主要方式。如圖 1.2 所示為 Ankor 公司發(fā)布的采用微銅柱互連實(shí)現(xiàn)凸點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）熱導(dǎo)率高；（2）凸點(diǎn)尺寸精確、剛度好；（3）優(yōu)點(diǎn)。而圖 1.3 則展示了為由 Qualcomm 與 Ankor 發(fā)布的通過硅片 存儲(chǔ)微 MPGA 封裝結(jié)構(gòu)示意圖，該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是通過硅片上直接打片之間的直接連接。具有連接路徑短、信號(hào)延遲少、精度更高等特點(diǎn)的直徑尺寸到 10 微米左右，依然可以采用錫互連技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片與接。論述可知，倒裝芯片以及凸點(diǎn)（焊球、銅柱）陣列，或 TSV 封裝為成可焊的陣列凸點(diǎn)、或是形成具有柔性連接作用的微錫層是封裝技錫層的回流，錫釬料與焊盤金屬發(fā)生冶金反應(yīng)產(chǎn)生金屬間化合物yer, IMC）來形成連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)元器件等與電路板之間的相互連接了利用倒裝芯片技術(shù)與 BGA 球柵陣列技術(shù)構(gòu)成的互連焊點(diǎn)。在電

南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文，60%以上的器件失效原因都是由于焊點(diǎn)的失效引起的整體失效[8]。因是整個(gè)封裝體的薄弱環(huán)，往往利用焊點(diǎn)的壽命來代替封裝體的壽命研究

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

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本文編號(hào)：2738946