低银无铅焊点在力、热、电耦合作用下失效机理的研究

Eutectic/near-eutectic Sn based solders have been widely used in surface mount technology. However, many institutions and industry dedicate to develop new solder alloys due to the high content of Ag element in current solders. Besides, the typical reliability issues of Pb-free solder joints such as electromigration (EM)， Creep， and thermomechanical fatigue (TMF) have been investigated and comprehended individually with the effort of a flurry of activities in electronic community. The failure mechanisms of micro-electronic devices under the real service environment which commonly includes a fluctuated temperature, electrical current and mechanical loading are still not understood. That is, EM, creep, and TMF may intertwine with each other and none of the solitary models can be used to explain the failure of the joint. Therefore, the study of these coupling effects on solder joints is a note worthy matter. In order to improve the reliabilities of low-silver solder joint, the Co, Ni as well as the nano-structured cage-type polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) will be used as the reinforcement particles in this study. The microstructure evolution, grain orientation change, and element redistribution process of Sn grains and intermetallic compound (IMC) under the coupling effect of mechanical, thermal, and electrical conditions will be explored and illustrated. The relationship between microstructure characterizations, which including grain orientation and element distribution, and the performance of solder, such as resistivity will be associated and used to establish the failure models of solder joints under the coupling effects of mechanical, thermal, and electrical conditions.

Sn基共晶/近共晶钎料已广泛用于表面组装技术。但较高的Ag含量也成为众多研究机构和工业界研发新一代低银钎料的动力。此外，虽然Sn基钎料焊点在单一严峻载荷（如蠕变、热疲劳、电迁移等）作用下的失效机理已得到充分认识，但在多种严峻载荷耦合作用下失效机理的研究却没有得到足够的重视。多种严峻载荷耦合作用并不是多个单一严峻载荷效应简单的叠加。力、热、电在焊点服役过程中对焊料损伤的各自作用及其导致的焊点失效机制尚需研究。本项目以低银无铅焊点为研究对象，选择Co、Ni、及具有纳米结构的笼形硅氧烷齐聚物(POSS)作为增强颗粒提高低银钎料在复杂服役条件下的可靠性。同时阐明Sn晶粒及金属间化合物在不同类型的力、热、电严峻载荷耦合作用下的显微形貌演变、晶体取向演变、元素分布演变过程。项目的开展可建立材料显微组织（元素分布、晶体取向）与材料性能（电导率）之间的关联，进而阐明焊点在多种严峻载荷耦合作用下的失效机理。

无铅焊点在二级封装层级中起到结构支撑、电气连接和热量耗散等多重作用，是影响整个电子封装系统可靠工作的重要环节之一。无铅焊点的可靠性问题的产生的原因可以归结为材料和结构尺寸两方面。从材料上来说，无铅化进程中合金元素替代所产生的新的钎料不可避免会存在可靠性问题。从结构尺寸上来说，电子产品朝着微型化、高密度化和多功能化的方向发展，导致单个焊点所承载的力学、热学以及电学载荷越来越严峻，多场耦合服役条件给焊点的可靠性提出了新的挑战。.基于以上问题，本课题一方面通过开展颗粒增强钎料的研究确定不同增强颗粒的增强机理和最佳配比，以获得性能优异的颗粒增强钎料；另一方面开展了多场耦合条件下焊点的失效机理研究，以确定材料在耦合场下失效的主要影响因素，从材料科学的角度为高可靠焊点的设计和应用提供解决方案。.通过颗粒增强钎料的研究发现，在Sn0.3Ag0.7Cu、Sn3.0Ag0.5Cu、Sn3.5Ag和Sn58Bi钎料中添加不同尺寸和配比的Ni、Co和POSS颗粒可以有效提升钎料的使用性能。其中POSS颗粒添加可以实现力学、电学和热学等综合性能的提升，最佳配比为2wt.%-3wt.%。Ni和Co颗粒的添加可以提高钎料的部分使用性能；添加尺寸2-3μm，含量6wt.%的Ni颗粒可以提高Sn3.5Ag焊点的剪切强度和蠕变寿命；添加0.45wt.%Ni颗粒可以提高Sn3.0Ag0.5Cu的抗电迁移性能，添加0.2wt.%Co颗粒的可以改善Sn3.0Ag0.5Cu焊点的抗老化，抗剪切和抗电迁移性能。.通过对Sn0.3Ag0.7Cu、Sn3.0Ag0.5Cu和Sn58Bi钎料多场耦合失效机理的研究发现，高电流密度的引入可以抑制焊点在蠕变或疲劳失效初期裂纹的萌生和扩展，改变了焊点电阻的变化形式，但总体上导致焊点寿命严重缩短。蠕变和电迁移耦合条件下，焊点失效形式由蠕变应力主导的韧性断裂转变为由电迁移过程和蠕变应力共同决定的脆性断裂；电迁移过程弱化了焊点界面结构，界面的脆性断裂成为焊点失效的主要因素。热疲劳和电迁移耦合条件下，焊点通过连续再结晶方式形成亚晶；电迁移过程中形成的迁移IMC可以促进连续再结晶过程；高电流密度和热循环条件共同作用引起明显的取向转变，以非连续再结晶方式形成孪晶或随机大角度晶界。