SAC305在電遷移和熱沖擊時(shí)的性能演變-深圳福英達(dá)

2023-10-15

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SAC305在電遷移和熱沖擊時(shí)的性能演變-深圳福英達(dá)

對(duì)于電子封裝密度越來(lái)越高的設(shè)備來(lái)說(shuō)，高電流密度和微小的焊料直徑使得焊點(diǎn)可靠性面臨電遷移等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，有必要了解錫膏焊料的微觀結(jié)構(gòu)演變和失效機(jī)制。并且當(dāng)焊料在受到熱沖擊時(shí)，熱量和電遷移的共同作用會(huì)加速原子擴(kuò)散和熱應(yīng)力的形成，從而導(dǎo)致金屬間化合物（IMC）的過(guò)度生長(zhǎng)。另外熱沖擊會(huì)使得熱膨脹系數(shù)不一致會(huì)加速焊接失效。

為了深入了解焊料在熱沖擊和電遷移時(shí)焊點(diǎn)會(huì)發(fā)生哪些變化，Li等人對(duì)SAC305進(jìn)行一系列的熱沖擊（-196℃到150℃）和電遷移測(cè)試（電流密度: 2*10^4A/cm^2）,并分析了焊點(diǎn)微觀結(jié)構(gòu)演變和失效機(jī)制。圖1(a)顯示了尺寸為20mm*20mm的測(cè)試模塊，由4個(gè)尺寸300μm的SAC305焊球組成，焊盤(pán)直徑為250μm，且芯片焊盤(pán)上鍍有鎳層。通過(guò)兩個(gè)回流工藝焊接錫球和芯片。

圖1. 測(cè)試單元和回流曲線(xiàn)。

IMC結(jié)構(gòu)

在對(duì)SAC305焊點(diǎn)通電并進(jìn)行熱沖擊循環(huán)后，左側(cè)焊點(diǎn)在15次熱循環(huán)后，在陽(yáng)極界面處檢測(cè)到連續(xù)的(Cu, Ni)6Sn5 IMC層，并且由于電遷移的電子流驅(qū)動(dòng)Sn和Ni原子向陽(yáng)極遷移，陽(yáng)極IMCs的形態(tài)從扇貝狀變?yōu)槠矫嫘?。在陰極界面處也有非常薄的(Ni, Cu)3Sn4層。對(duì)于右側(cè)焊點(diǎn)，在陽(yáng)極和陰極界面分別形成了(Ni, Cu)3Sn4和Cu6Sn5。(Ni, Cu)3Sn4的厚度隨著電遷移時(shí)間增加而變厚，這歸因于焊點(diǎn)原子隨著電子流從陰極遷移到陽(yáng)極。

圖2. 熱沖擊測(cè)試后的IMC變化。

失效模式

在左側(cè)焊點(diǎn)的上界面處觀察到痕量Cu的溶解。局部痕量溶解的發(fā)生可以用SAC305焊點(diǎn)的凝固和電遷移后熱循環(huán)來(lái)解釋。電流傾向于選擇電阻最低的路徑，這也促進(jìn)了電子在電子流進(jìn)入焊點(diǎn)的位置積聚，導(dǎo)致在入口處產(chǎn)生電流擁擠和焦耳熱。因此，由于焦耳熱累積，在拐角處觀察到焊點(diǎn)的局部Cu溶解。此外，由于不同結(jié)構(gòu)的CTE不匹配和晶格畸變，裂紋沿著陰極界面擴(kuò)展導(dǎo)致焊點(diǎn)失效。類(lèi)似的，右側(cè)焊點(diǎn)在熱循環(huán)后也出現(xiàn)了Cu焊盤(pán)的局部快速溶解，并在陽(yáng)極界面處形成裂紋。

圖3. 18次熱沖擊后焊點(diǎn)的失效機(jī)制。(a-d)左側(cè)焊點(diǎn); (e-f)右側(cè)焊點(diǎn)

在6次熱循環(huán)之前，陰極側(cè)剪切表面上發(fā)現(xiàn)了細(xì)長(zhǎng)的斷裂凹坑。因此，該斷裂形式屬于韌性斷裂。在6次循環(huán)后，在剪切表面上檢測(cè)到Ni3Sn4 IMC(紅色)，這一現(xiàn)象表明焊點(diǎn)的斷裂模式轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性-脆性混合斷裂。隨著熱循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加，斷裂口Ni3Sn4數(shù)量增加。陽(yáng)極側(cè)焊點(diǎn)也有著類(lèi)似的斷裂機(jī)制，即斷裂機(jī)制從韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性-脆性混合斷裂。通過(guò)斷裂模式可以知道陰極側(cè)的剪切強(qiáng)度隨著循環(huán)次數(shù)增加而下降。然而陽(yáng)極側(cè)強(qiáng)度先下降后上升，這是因?yàn)槌掷m(xù)的極端的溫度使得斷裂面開(kāi)始出現(xiàn)孿晶并增強(qiáng)了焊點(diǎn)的強(qiáng)度。

圖4. 焊點(diǎn)陰極側(cè)(上)和陽(yáng)極側(cè)(下)剪切失效圖。(a)回流后; (b)3次循環(huán); (c)6次循環(huán); (d)9次循環(huán); (e)12次循環(huán); (f)15次循環(huán)。

Li, S.L., Hang, C.J., Zhang, W., Guan, Q.L., Tang, X.J., Yu, D., Ding, Y. & Wang, X.L. (2023). Current-induced solder evolution and mechanical property of Sn-3.0Ag-0.5Cu solder joints under thermal shock condition. Journal of Alloys and Compounds.

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