snagcu系列无铅微焊点剪切力学性能分析(附件)【字数：11645】
摘 要摘 要电子器件的微型化发展及高密度细间距封装趋势，对主流Sn-Ag-Cu系无铅微焊点的可靠性提出了越来越高的要求。然而Sn-Ag-Cu系无铅焊料合金中Ag的价格比较昂贵，这就使电子产品成本上升，对推进电子产品无铅化不利。因此研究低银含量的无铅钎料势在必行。本试验选用Sn-0.7Cu、Sn-0.3Ag-0.7Cu、Sn-1.0Ag-0.5Cu和高银含量的Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料做为研究对象，研究了Ag含量对Sn-Ag-Cu无铅钎料合金在Cu基板上铺展性能以及Sn-Ag-Cu钎料/Cu界面显微组织的影响，研究不同时效条件下Ag含量对Sn-Ag-Cu微焊点剪切力学性能的影响，从而确定不同银含量的Sn-Ag-Cu微焊点的各项性能。试验结果表明，钎料合金中银含量的增加，可以提升部分的铺展率；Ag含量的增加使无铅微焊点的组织结构得到细化，高Ag含量的Sn-Ag-Cu系钎料的剪切力最大，强度较高，也就是随着Ag含量在Sn-Ag-Cu系钎料中比例的增加，剪切力也逐渐增加，使得微焊点的剪切力学性能得到改善与提升。关键词Sn-Ag-Cu；无铅钎料；显微组织；剪切强度
目录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 球栅阵列封装技术 2
1.3 无铅钎料的要求与发展 3
1.4 SnAgCu 系钎料研究现状 4
1.4.1 SnAgCu 系钎料简介 4
1.4.2 SnAgCu系研究动态 5
1.4.3 SnAgCu/Cu焊点组织与力学性能 5
1.5 课题研究的主要内容和意义 6
第二章 试验方法与设备 8
2.1 试验设备和材料 8
2.2 无铅钎料合金的铺展试验 8
2.2.1 试验原理 8
2.2.2 试验方法 9
2.3 焊点显微组织的观察分析 10
2.4 焊点剪切力学性能试验 11
2.5 焊点断口形貌及断裂机制 12
第三章 试验结果及分析 14
3.1 钎料合金铺展试验结果及分析 14
3.2 焊点显微组织分析试验结果及分析 14
3.3 焊点 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
力学性能试验结果及分析 20
3.4 剪切试验BGA焊点断口分析 24
结 论 29
致 谢 30
参考文献 31
第一章 绪论
1.1 引言
在传统的电子工业工艺中，SnPb系钎料凭借其较低的价格优势和优异的综合性能特性，获得普遍的使用。铅是一种有毒的重金属元素，英国早在1883年就做出了和防止人铅中毒的有关条例法规。并且1912年，还出版了一本名为《铅中毒与铅吸收》的书籍[1]。当代的医学则表明，铅对于人体的最主要风险危害是其对中枢神经系统的危害，特别对于儿童的危害。起初，推动电子行业的无铅化要求的源动力是美国。由于人类环境保护意识的逐渐加强，以及欧盟等国际社会强烈要求在电子工业中禁止使用铅。欧盟先后出了两道环保法令，分别为《废旧电器电子设备指令》(即Waste Electrical and Electronic Equipment)和《电子电器设备中限制使用某些有害物质指令》(即The Restriction of the use of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment)，无铅钎料的发展与应用成了全球的热点。又由于电子器件受到快速增长和发展的微型焊接技术的影响，电子设备的组装变得细间距高密度，焊点逐渐变小，微小的焊点所需承担的力学、电学、热学载荷的压力就变得愈加沉重，因此这就对焊点的可靠性要求与日俱增，而传统使用的SnPb系钎料合金抗蠕变特性效果较差，自然也就不能达到了现代电子工业的标准要求，这就为人们寻找新的高耐疲劳的可以替补SnPb系焊料促进无铅焊料合金研究提供了重要驱动力。
在诸多无铅钎料合金中，SnAgCu钎料凭借自身优异的性能和成本优势被看成是替换传统SnPb的最好选择。它的拉伸强度比SnPb高，流动性好，熔点适中，比共晶SnPb合金约高35℃。然而SnAgCu无铅焊点也有自身明显缺点仍待解决，无铅钎料仍然是以Sn为前提基础，在Sn中添加Cu、Ag、Zn、Bi和In等第二组元，并且适当通过添加微量的第三、第四种元素来调节焊料的熔化温度与机械物理性能，这当中SnAgCu系三元合金焊料最被看好。该合金具有良好的力学与电热学可靠性、润湿性能和钎焊工艺效果,被当作是的替换SnPb钎料合金的最好选择。目前电子工业追求高性价比的钎料合金，这就意味着在改善SnAgCu钎料合金性能的同时，还需降低钎料的生产成本。因此，本课题首先使用最为广泛的Sn3.0Ag0.5Cu钎料合金为参考标准，研究不同Ag含量对SnAgCu综合性能的影响，从中挑选Ag含量不大于1.0%的钎料合金作为基础钎料。
1.2 球栅阵列封装技术
目前微电子封装主流发展方向有两个：一个是朝着焊点尺寸的微小化方向，另一个是电子封装的无铅化。面阵列封装技术由于具有可靠性能高、高密度和杰出的导电性能因而迅速发展成长，因而相继出现球栅阵列封装技术（Ball Grid Array，简称BGA）这一面阵列封装技术、芯片级尺寸封装技术(Chip Scale Package ，简称CSP)、倒装芯片封装技术(Flip Chip，简称FC)等高端封装技术。表面组装领域专家预测BGA、CSP、FC等面阵列封装技术将是二十一世纪集成电路主流的封装技术。发展历程如图11所示。
/
图11 封装形式的发展
球栅阵列(Ball Grid Array，BGA)封装(BGA器件示意图见图12所示)是顺应匹配目前电子封装技术朝高密度、细间距、轻小薄等多功能方向发展的一种新型封装技术，近些年来，微电子产品的持续微型化使得互连微焊料产品封装和封装间距触点保持较小的尺寸，虽然焊点尺寸减小了，但机械接头较小进行力、热、电负载变得越来越重，剪切应力作用下的BGA微凸点互连失效的重要原因是电子元器件的自身力学性能效果发生变化。因而，封装中印制电路板与芯片之间具有高可靠性的最有力保障就是微焊点有良好的剪切力学性能。因此互连的微焊点可靠性就变得日益重要，研究小尺寸微焊点的剪切强度，断裂的外观和界面微观结构的不同就显得更加重要有意义。
目录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 球栅阵列封装技术 2
1.3 无铅钎料的要求与发展 3
1.4 SnAgCu 系钎料研究现状 4
1.4.1 SnAgCu 系钎料简介 4
1.4.2 SnAgCu系研究动态 5
1.4.3 SnAgCu/Cu焊点组织与力学性能 5
1.5 课题研究的主要内容和意义 6
第二章 试验方法与设备 8
2.1 试验设备和材料 8
2.2 无铅钎料合金的铺展试验 8
2.2.1 试验原理 8
2.2.2 试验方法 9
2.3 焊点显微组织的观察分析 10
2.4 焊点剪切力学性能试验 11
2.5 焊点断口形貌及断裂机制 12
第三章 试验结果及分析 14
3.1 钎料合金铺展试验结果及分析 14
3.2 焊点显微组织分析试验结果及分析 14
3.3 焊点 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
力学性能试验结果及分析 20
3.4 剪切试验BGA焊点断口分析 24
结 论 29
致 谢 30
参考文献 31
第一章 绪论
1.1 引言
在传统的电子工业工艺中，SnPb系钎料凭借其较低的价格优势和优异的综合性能特性，获得普遍的使用。铅是一种有毒的重金属元素，英国早在1883年就做出了和防止人铅中毒的有关条例法规。并且1912年，还出版了一本名为《铅中毒与铅吸收》的书籍[1]。当代的医学则表明，铅对于人体的最主要风险危害是其对中枢神经系统的危害，特别对于儿童的危害。起初，推动电子行业的无铅化要求的源动力是美国。由于人类环境保护意识的逐渐加强，以及欧盟等国际社会强烈要求在电子工业中禁止使用铅。欧盟先后出了两道环保法令，分别为《废旧电器电子设备指令》(即Waste Electrical and Electronic Equipment)和《电子电器设备中限制使用某些有害物质指令》(即The Restriction of the use of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment)，无铅钎料的发展与应用成了全球的热点。又由于电子器件受到快速增长和发展的微型焊接技术的影响，电子设备的组装变得细间距高密度，焊点逐渐变小，微小的焊点所需承担的力学、电学、热学载荷的压力就变得愈加沉重，因此这就对焊点的可靠性要求与日俱增，而传统使用的SnPb系钎料合金抗蠕变特性效果较差，自然也就不能达到了现代电子工业的标准要求，这就为人们寻找新的高耐疲劳的可以替补SnPb系焊料促进无铅焊料合金研究提供了重要驱动力。
在诸多无铅钎料合金中，SnAgCu钎料凭借自身优异的性能和成本优势被看成是替换传统SnPb的最好选择。它的拉伸强度比SnPb高，流动性好，熔点适中，比共晶SnPb合金约高35℃。然而SnAgCu无铅焊点也有自身明显缺点仍待解决，无铅钎料仍然是以Sn为前提基础，在Sn中添加Cu、Ag、Zn、Bi和In等第二组元，并且适当通过添加微量的第三、第四种元素来调节焊料的熔化温度与机械物理性能，这当中SnAgCu系三元合金焊料最被看好。该合金具有良好的力学与电热学可靠性、润湿性能和钎焊工艺效果,被当作是的替换SnPb钎料合金的最好选择。目前电子工业追求高性价比的钎料合金，这就意味着在改善SnAgCu钎料合金性能的同时，还需降低钎料的生产成本。因此，本课题首先使用最为广泛的Sn3.0Ag0.5Cu钎料合金为参考标准，研究不同Ag含量对SnAgCu综合性能的影响，从中挑选Ag含量不大于1.0%的钎料合金作为基础钎料。
1.2 球栅阵列封装技术
目前微电子封装主流发展方向有两个：一个是朝着焊点尺寸的微小化方向，另一个是电子封装的无铅化。面阵列封装技术由于具有可靠性能高、高密度和杰出的导电性能因而迅速发展成长，因而相继出现球栅阵列封装技术（Ball Grid Array，简称BGA）这一面阵列封装技术、芯片级尺寸封装技术(Chip Scale Package ，简称CSP)、倒装芯片封装技术(Flip Chip，简称FC)等高端封装技术。表面组装领域专家预测BGA、CSP、FC等面阵列封装技术将是二十一世纪集成电路主流的封装技术。发展历程如图11所示。
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图11 封装形式的发展
球栅阵列(Ball Grid Array，BGA)封装(BGA器件示意图见图12所示)是顺应匹配目前电子封装技术朝高密度、细间距、轻小薄等多功能方向发展的一种新型封装技术，近些年来，微电子产品的持续微型化使得互连微焊料产品封装和封装间距触点保持较小的尺寸，虽然焊点尺寸减小了，但机械接头较小进行力、热、电负载变得越来越重，剪切应力作用下的BGA微凸点互连失效的重要原因是电子元器件的自身力学性能效果发生变化。因而，封装中印制电路板与芯片之间具有高可靠性的最有力保障就是微焊点有良好的剪切力学性能。因此互连的微焊点可靠性就变得日益重要，研究小尺寸微焊点的剪切强度，断裂的外观和界面微观结构的不同就显得更加重要有意义。
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