低银无铅微焊点多场耦合服役下界面演化及损伤机理

微电子封装实施无铅化以来，SnAgCu钎料做为SnPb钎料的替代品备受业界的关注，但仍存在两个亟待解决的问题：1)目前主流的SnAgCu钎料含银量大于3%，成本较高；2)高银无铅钎料焊点脆性较高，不耐冲击和振动，难以满足受冲击类电子产品的使用要求。因此，研制低成本、高可焊性和抗冲击性好的低银无铅钎料是关注的焦点。本项目以本研究室开发的一种低银无铅钎料SACNiBi和目前常用的SAC305为主要载体，结合实验和数值模拟，研究不同的基底材料与钎料匹配时在电、热、力多场耦合下界面IMC层、界面微孔洞和裂纹的形成与演变机制；揭示在电、热、力多场耦合下的焊点损伤规律；分析银含量及添加微量元素对微焊点界面结构在时效过程中演变规律及寿命的影响；建立多场耦合服役下微焊点细观尺度下的强韧性指标与界面结构及寿命的关系模型；为低银无铅微互连焊点的可靠性设计提供理论参考。

电子产品的微型化、多功能化和系统化，使得板级封装互连微焊点的服役环境越来越苛刻。实际服役条件往往是多载荷的叠加，因此本项目研究多场耦合条件下，低银无铅微焊点的界面演变、电迁移损伤特征与焊点失效机制，建立多场耦合作用下的微焊点疲劳损伤本够模型。其主要研究内容及结论如下：.分别以SAC305/Cu和SACBN07/Cu为载体，对比分析高、低银钎料在热-电-力单场、多场耦合条件下的界面化合物（IMC）的演变行为，电迁移行为和断裂行为；揭示了低银与高银无铅微焊点的疲劳损伤模式及微量元素的作用；建立了高温时效-IMC演变及Cu盘消耗的本构模型。.揭示了热-电耦合时效IMC的生长演变规律：电载荷作用下，回流焊过程中阴、阳极两侧IMC层厚度变化明显不同。阳极侧，加载过程中IMC层厚度明显增厚，IMC晶粒尺寸逐渐增大，近IMC/Cu界面处以晶粒间合并长大为主。相同加载时间后，电流密度较大的焊点中，阴极侧铜焊盘消耗较大，IMC层晶粒尺寸较小，阳极IMC晶粒尺寸较大且晶粒排列更加致密。.采用应变测量和快速傅里叶变换(FFT)相结合的方法，研究了温度-电-振动耦合下PCB板的频率响应和形变特征。结果表明，仅仅随着温度的升高，PCB板的一阶固有频率下降的同时应变峰值并未发生变化；而温度-电-振动三场耦合条件下，电载荷导致PCB板温度分布不均匀，其一阶固有频率降低的同时应变幅值显著下降。.应用统计学分析的方法，研究了温度-振动耦合下微焊点的失效模式和机制。结果表明，在一定温度范围(100oC)内和激振水平下，温度提高，使得裂纹扩展路径由IMC与铜焊盘处逐渐扩展到体钎料处，由脆性断裂转变为韧性断裂特征。.设计了热-电-力耦合下焊点的失效模拟实验。结果表明：三场耦合作用下，电载荷和温度(100oC)的施加，。降低了PCB板的应变幅值，焊点的振动载荷降低，提高了互连微焊点的寿命。失效模式统计分析表明，裂纹发生在体钎料区和界面与体钎料的混合区裂。焊点形态呈现明显的流变并且其内部发生明显的电迁移现象。当环境温度突然降低，焊点会迅速失效，PCB板固有频率升高，焊点振动载荷强度随之提高。这证实了一定的电流和高温有利于焊点抗振寿命的提高。建立温度-振动耦合、温度-电-振动耦合单变量作用下，焊点寿命预测模型。温度-振动耦合下焊点寿命呈现“一次函数”模型；温度-电-振动耦合作用下焊点寿命呈现“二次函数”模型。