肖克来提[1]2001年在《无铅焊料表面贴装焊点的高温可靠性研究》文中研究表明本工作以开发适合在汽车和航天等领域的高温环境中服役的焊点体系为目的，利用时效、冷热循环、潮热等加速实验和高温下剪切强度实验等，研究了SnAg、SnAgCu和SnSb等无铅焊料焊点的高温可靠性，得到如下结论：l．研究了SnAg焊料与Cu焊盘焊接所形成焊点的可靠性。与常用的 Sn62Pb36Ag2/Cu焊点比较，SnAg/Cu体系在150℃时效时显示了较高的稳 定性，其组织粗化程度和界面金属间化合物的生长速率都小于SnPbAg焊 点，SnAg/Cu焊点在时效过程中能够保持更好的机械性能，断裂与界面处 金属间化合物的生长有关；在热循环过程中，由于热失配产生的应变导致 焊点中出现裂纹，焊点强度下降很快，但SnAg/Cu焊点保持了高于 SnPbAg/Cu焊点的剪切强度；潮热实验对SnAg和SnPbAg焊点的影响不大， 相对来说，对SnAg焊点影响更小。2．首次利用时效、热循环等手段研究了SnAg焊料与Au/Ni-P/Cu焊盘所形成 表面贴装焊点的高温（150℃）可靠性，并与Sn62Pb36Ag2焊点进行了比较。 实验发现，在时效的初始阶段，SnAg焊点表现出较高的强度，此时，SnPbAg 和SnAg两种焊点的断裂均发生在焊料内部。但当时效时间超过250h 时，SnAg焊点强度剧烈下降，断裂则发生在Ni-P/Cu基体的界面上，而SnPbAg 焊点则保持了较高强度。SnAg焊点在回流和时效过程中Ni-P层较多Ni的 消耗可能是Ni-P与Cu基体间结合强度大幅降低的主要原因；Ni-P与焊料 的反应影响Ni-P/Cu界面结合强度这一现象为本工作的重要发现。SnAg/Ni- P焊点在热循环过程中也出现Ni-P从Cu基板上分离的现象；潮热实验对 SnAg和SnPbAg焊点的影响不大。SnAg与Au/Ni-P/Cu焊盘形成焊点时， 其可靠性明显不如SnPbAg焊料。3．关于常用的器件端头金属化层对无铅焊料焊点的影响的研究在国内外文献 中尚未见报道。针对这一现状，本文研究了两种器件端头金属化层对SnPbAg 和Snsb等焊点的形状、微结构及剪切强度的影响，发现SnSb等无铅焊料 对器件的金属化层种类很敏感：Ni/AgPd与SnSb焊料所形成焊点的形状理 想，强度最高，而SnSb/AgPd焊点则由于SnSb与AgPd的剧烈反应导致焊 摘 要 料在器件端头区域集中而不在Ctl焊盘上充分铺展，焊点强度低，断裂发生 在原AgPd／陶瓷界面。对于SnPbAg焊料，器件金属化层对焊点形状和强度 影响不大，剪切测试后，断裂发生在焊料内部。4．研究了Sndg和Ph95Sns组成复合焊点时，元素之间的互扩散，对 SnAg／Pb95Sns扩散偶的微结构及热学性能作了分析，发现低熔点SnPbAg 叁元共晶相的生成。通过在Ph95Sns合金上电镀和化学镀N以充当阻挡层 来防止低熔点相的生成，并对其效果进行了检验。有选择性地在C4芯片的 Ph95Sns焊料凸点上化学镀Ni首次获得成功并在倒装焊结构中得到应用。
朱奇农[2]2000年在《电子封装中表面贴装焊点的可靠性研究》文中研究表明本文针对电子封装中表面贴装焊点的可靠性问题，就以下两方面的内容开展了研究：1．无铅高温焊料（Sn96.5Ag3.5和Sn95Sb5）在汽车电子中的应用；2．倒装焊复合SnPb 焊点的形态研究及其对焊点可靠性的影响。主要研究结果如下：1．研究了两种无铅高温焊料的SMT 焊点在高温时效过程中微结构 和焊点剪切强度的变化。与常用的Sn62Pb36Ag2 焊点对比， Sn96.5Ag3.5和Sn95Sb5焊点在高温时效过程中组织结构更稳 定，界面金属间化合物的生长速率和体焊料的粗化程度均低于 SnPbAg焊点；同时，焊点的剪切强度（尤其是高温剪切强度）较 高，随高温时效时间的增加焊点剪切强度下降的幅度也远小于 SnPbAg焊点。因而更适合在高温器件中应用。2．用混合掺入共晶SnPb焊膏的方法，研究了Pb杂质对Sn96.5Ag3.5和Sn95Sb5焊点的微结构和剪切强度的影响。发现Pb杂质的引 入将在焊点晶界上形成富铅相，对回流焊接过程中焊点界面金属 间化合物的生长则影响不大。少量的Pb 杂质对焊点室温下的剪 切强度影响不大，但Pb 杂质在焊料晶界处的偏析使焊料本身的 高温强度降低，使高温下的剪切强度下降。3．按照美国电子工业协会的标准试验方法JESD─22，考察了SnSb 表面贴装焊点在高温时效、热循环和潮热储存过程中的可靠性， 并与SnPbAg焊点进行了对比。结果表明，由于器件端头和PCB 板Cu焊盘上预涂的CnPb焊料的溶入，使SnSb表面贴装焊点的 晶界上存在富铅相，该相随着高温时效时间增加而粗化。SnSb 焊点的剪切强度高于SnPbAg焊点，随高温时效时间增加，焊点 的剪切强度下降，但下降幅度明显小于SnPbAg焊点。热循环次 数小于1000～1500周时，SnSb焊点的剪切强度明显高于SnPbAg 焊点，而随着热循环的继续进行，SnSb焊点中由于Cu、Sn互扩 散速率不同，在solder／Cu 界面因Klrkendall 效应形成的空位在 热应力作用下形核长大为微孔洞，并逐步发展为贯穿孔洞使界面 结合力下降，造成焊点剪切强度的急剧下降。在潮热储存过程中 Snsb焊点的微结构和剪切强度均变化不大，而SnPbAg焊点的组 织有一定的粗化，剪切强度随潮热储存时间的增加有所下降。4 建立了倒装焊中复合SnPb焊点形态的能量控制方程。应用Surface Evo卜er软件，对含高铅焊料芯片凸点和共晶SnPb焊料形成的复 合焊点的形态进行了有限元模拟，考察了焊盘大小、芯片凸点尺 寸、焊料体积、焊接温度等焊点的设计及工艺参数对焊点形态的 影响。提出了预测复合SnPb焊点间隙的无量纲回归模型。5 基于单一变量形变阻抗的统一型粘塑性Anand本构方程，描述了 焊料的粘塑性行为。利用SnPb焊料的Anand本构模型，通过把 复合SnPb 焊点的形态与可靠性分析相结合，利用ANSYS 有限 元软件分析了倒装焊中复合SnPb 焊点在热循环过程中的应力应 变关系，发现焊点外侧共晶焊料和基板CU 焊盘界面附近区域的 应力应变最大，是焊点中最薄弱的部位。基于Coffin－Manson 经 验方程，预测了复合焊点的热循环寿命。模拟研究表明·复合SnPb 焊点的间隙和焊点热循环寿命之间有直接的依赖关系，优化焊点 的形态是提高焊点可靠性的重要途径。
参考文献：
[1]. 无铅焊料表面贴装焊点的高温可靠性研究[D]. 肖克来提. 中国科学院上海冶金研究所. 2001
[2]. 电子封装中表面贴装焊点的可靠性研究[D]. 朱奇农. 中国科学院上海冶金研究所. 2000