热循环条件下in30ni复合粉末tlp焊点组织和性能研究【字数：10289】
频繁使用，通电、断电的周期性工作环境会使电子产品遭受温度的循环载荷的作用，造成焊点内部组织变化，它甚至会导致焊点失效，每个焊点的失效都可能导致整个产品发生故障。为了讨论热循环对In-30Ni焊点的影响，本文研究了In-30Ni复合粉末TLP焊点在热循环条件下的微观组织和性能。研究结果表明当热循环次数为100次时，靠近界面处开始产生细微裂纹，热循环次数增加到200次时，界面处裂纹愈加明显且裂纹逐渐扩展到基体内部，当循环次数到达400次时，晶粒开始发生分裂，孔洞率显著增加，800次时，基体中基本都是单个晶粒，这些单个晶粒是由Ni3In7包裹着的Ni颗粒；界面IMC的厚度随着热循环次数的增加呈现先增加后减小的现象，当热循环次数为800次时，界面IMC基本消失；焊点的剪切强度随着热循环的次数的增加而逐渐降低，在室温下，焊点具有最高的剪切强度，达到9.24MPa，当热循环次数达到800次时，剪切强度下降更为显著，剪切强度降为6.1MPa。
目 录
1 绪论 1
1.1引言 1
1.2国内研究现状 2
1.3国外研究现状 3
1.4课题研究的意义及内容 4
1.4.1课题研究的意义 4
1.4.2课题研究内容 4
1.5试验技术路线图 5
2试验材料、方法及设备 6
2.1试验材料和复合钎料的制备 6
2.2键合工艺的确定 6
2.3焊点的制备 7
2.4热循环试验参数的设置 8
2.5金相试样的制备 8
2.6剪切强度的测量及计算方法 9
2.6.1剪切强度的测量 9
2.6.2剪切强度的计算方法 10
2.7试验所用设备和仪器 10
2.8本章小结 11
3热循环对In30Ni钎料基体组织及界面IMC的影响 12
3.1热循环对In30Ni钎料基体组织的影响 12
3.2热循环对In30Ni界面IMC的影响 14
3.3本章小结 16
4 热循环对In30Ni钎料焊点拉伸及剪切性能的影响 17
4.1循环周期 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
对基体孔洞率的影响 17
4.2热循环对钎料焊接接头剪切强度的影响 18
4.3本章小结 19
结论与展望 20
参考文献 22
致谢 24
1 绪论
1.1引言
目前，随着各个领域内的科学技术快速发展，各种电子系统的复杂性越来越高，产品愈来愈趋向于低能耗，轻量化。传统的二维封装面临着各种问题，如：能量密度和总功耗增加、散热不良、尺寸压缩导致引线效应上升等。在现实的需求及科学的指引下，3D封装技术应运而生[1]，3D封装首先突破传统的平面封装的概念，组装效率高达200%以上。近年来，3D封装技术不断发展，最小的焊点厚度可达10um以内，可减轻的重量达4050倍，节约的功率能使3D元件以更快的速度运行而不增加能耗，从此芯片技术进入了一个“超越摩尔定律”的新时代。
3D封装分为三大类：一是叠层封装(PoP），二是多芯片封装(MCP)，三是系统级封装(SiP)[2]。堆叠型3D封装[3] 是基于2D封装的基础形成的，并且将多个芯片垂直连接以形成三维封装。3D封装具有缩小了系统封装的尺寸、降低信号延迟、降低信号噪声、异质集成等优点。这种技术是目前发展最快且具有良好前景的封装技术。这项技术可以应用在手机上，在增加功能的同时减薄手机的厚度，对于现在的手机行业有着重大的贡献。
对于3D封装芯片互连而言，瞬时液相（TLP）扩散连接以其独特的优点成为芯片互连中很有前景的一种连接方法。因为相比于传统的封装工艺，TLP利用低熔点材料与另外的高熔点材料在高于低熔点材料熔点，低于高熔点材料的温度和压力下相互扩散和反应，形成由一种或两种高熔点金属间化合物( IMC) 组成的烧结接头[4]。使其接头能够更好的实现低温连接，高温服役的效果。另外，TLP方法能够形成无界面、无中间层残留的高强度接头[5]。基于以上原因，TLP方法得以广泛运用。
所有接头都必须接受使用过程的检验。电子器件在使用过程中，往往会经受多个因素场的作用，如：热场，力场、磁场。本文主要研究热场对焊点可靠性的影响。电子器件因电路的通断以及外界环境因素的变化，常会导致器件内部热量不断而必然遭受不同程度的热循环，由于封装材料的差异，钎料和基体的热膨胀系数不同，焊点内产生内应力，进而产生裂纹导致工件失效，这种现象称为热机械疲劳。目前，国内外已有许多学者已开始对这一领域进行了非常深入的研究。
1.2国内研究现状
吴卫华等人[6]利用有限元数值模拟对在热循环条件下的 Sn3.5Ag0.75Cu 无铅焊料焊点的可靠性问题进行了分析。结果表明， 在焊点边界与Cu基板结合处的应力较焊点中央的应力较大； 焊点在低温阶段的应力最大。在高温阶段应变最大； 在温度上升和下降的过程中，应力应变变化较大， 而在保温过程中的应力应变变化较小。
周萍等人[7] 利用Ansys软件建立BGA倒装芯片模型模拟焊点在热循环条件下所受热应力的影响。使改变热循环的保温时间、温度循环的范围和温度上限及各种工艺参数，研究对热循环焊点热疲劳寿命的影响。结果表明：随着在高低温的停留时间的增加、温度范围的增加和温度上限的增加，焊点的热疲劳寿命均减小。
刘娜等人[8]主要以倒装焊点为对象，通过热循环试验，对其失效机理以及工作过程中的变化进行了研究。试验经过金相分析判断失效模拟，得出几乎多有裂纹都会穿过焊点的三个薄弱区。经过热循环试验，研究裂纹在不同热循环周期下的扩展情况，发现，钎料引线界面裂纹比钎料基板的裂纹生长速度更快一些，最终成为导致焊点失效的主要原因。
薛松柏等人[9]利用数值模拟研究了热循环对QFP焊点强度和显微组织的影响。通过焊点强度试验和分析断口SEM，初步揭示了热循环对其焊点强度及显微组织影响规律。结果表明，裂纹大多在焊点内侧钎料和焊盘的界面接触面产生。随着热循环周期的增加，焊点的强度逐渐下降；通过对其断口SEM分析，发现热循环前断裂机理为韧性断裂。随着热循环周期的增加，组织中晶粒不断粗化，韧窝变大，经过120次热循环后的断裂方式主要为脆性断裂。
汪俭辛等人[10]研究了SnCuNi(Ce)材料焊点在热循环条件下的可靠性。主要从热循环对其焊点的力学性能以及界面IMC的形成过程和长大方式的影响出发，结果表明，在热循环条件下，界面IMC有明显的长大趋势，并且当热循环周期达到2000次时，焊点中出现了降低力学性能的Cu3Sn。在材料中加入少量的Ce(约0.05％)元素，能够有效的抑制界面IMC和基体IMC的长大，并减轻热循环带来的力学性能下降的影响。
1.3国外研究现状
目 录
1 绪论 1
1.1引言 1
1.2国内研究现状 2
1.3国外研究现状 3
1.4课题研究的意义及内容 4
1.4.1课题研究的意义 4
1.4.2课题研究内容 4
1.5试验技术路线图 5
2试验材料、方法及设备 6
2.1试验材料和复合钎料的制备 6
2.2键合工艺的确定 6
2.3焊点的制备 7
2.4热循环试验参数的设置 8
2.5金相试样的制备 8
2.6剪切强度的测量及计算方法 9
2.6.1剪切强度的测量 9
2.6.2剪切强度的计算方法 10
2.7试验所用设备和仪器 10
2.8本章小结 11
3热循环对In30Ni钎料基体组织及界面IMC的影响 12
3.1热循环对In30Ni钎料基体组织的影响 12
3.2热循环对In30Ni界面IMC的影响 14
3.3本章小结 16
4 热循环对In30Ni钎料焊点拉伸及剪切性能的影响 17
4.1循环周期 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
对基体孔洞率的影响 17
4.2热循环对钎料焊接接头剪切强度的影响 18
4.3本章小结 19
结论与展望 20
参考文献 22
致谢 24
1 绪论
1.1引言
目前，随着各个领域内的科学技术快速发展，各种电子系统的复杂性越来越高，产品愈来愈趋向于低能耗，轻量化。传统的二维封装面临着各种问题，如：能量密度和总功耗增加、散热不良、尺寸压缩导致引线效应上升等。在现实的需求及科学的指引下，3D封装技术应运而生[1]，3D封装首先突破传统的平面封装的概念，组装效率高达200%以上。近年来，3D封装技术不断发展，最小的焊点厚度可达10um以内，可减轻的重量达4050倍，节约的功率能使3D元件以更快的速度运行而不增加能耗，从此芯片技术进入了一个“超越摩尔定律”的新时代。
3D封装分为三大类：一是叠层封装(PoP），二是多芯片封装(MCP)，三是系统级封装(SiP)[2]。堆叠型3D封装[3] 是基于2D封装的基础形成的，并且将多个芯片垂直连接以形成三维封装。3D封装具有缩小了系统封装的尺寸、降低信号延迟、降低信号噪声、异质集成等优点。这种技术是目前发展最快且具有良好前景的封装技术。这项技术可以应用在手机上，在增加功能的同时减薄手机的厚度，对于现在的手机行业有着重大的贡献。
对于3D封装芯片互连而言，瞬时液相（TLP）扩散连接以其独特的优点成为芯片互连中很有前景的一种连接方法。因为相比于传统的封装工艺，TLP利用低熔点材料与另外的高熔点材料在高于低熔点材料熔点，低于高熔点材料的温度和压力下相互扩散和反应，形成由一种或两种高熔点金属间化合物( IMC) 组成的烧结接头[4]。使其接头能够更好的实现低温连接，高温服役的效果。另外，TLP方法能够形成无界面、无中间层残留的高强度接头[5]。基于以上原因，TLP方法得以广泛运用。
所有接头都必须接受使用过程的检验。电子器件在使用过程中，往往会经受多个因素场的作用，如：热场，力场、磁场。本文主要研究热场对焊点可靠性的影响。电子器件因电路的通断以及外界环境因素的变化，常会导致器件内部热量不断而必然遭受不同程度的热循环，由于封装材料的差异，钎料和基体的热膨胀系数不同，焊点内产生内应力，进而产生裂纹导致工件失效，这种现象称为热机械疲劳。目前，国内外已有许多学者已开始对这一领域进行了非常深入的研究。
1.2国内研究现状
吴卫华等人[6]利用有限元数值模拟对在热循环条件下的 Sn3.5Ag0.75Cu 无铅焊料焊点的可靠性问题进行了分析。结果表明， 在焊点边界与Cu基板结合处的应力较焊点中央的应力较大； 焊点在低温阶段的应力最大。在高温阶段应变最大； 在温度上升和下降的过程中，应力应变变化较大， 而在保温过程中的应力应变变化较小。
周萍等人[7] 利用Ansys软件建立BGA倒装芯片模型模拟焊点在热循环条件下所受热应力的影响。使改变热循环的保温时间、温度循环的范围和温度上限及各种工艺参数，研究对热循环焊点热疲劳寿命的影响。结果表明：随着在高低温的停留时间的增加、温度范围的增加和温度上限的增加，焊点的热疲劳寿命均减小。
刘娜等人[8]主要以倒装焊点为对象，通过热循环试验，对其失效机理以及工作过程中的变化进行了研究。试验经过金相分析判断失效模拟，得出几乎多有裂纹都会穿过焊点的三个薄弱区。经过热循环试验，研究裂纹在不同热循环周期下的扩展情况，发现，钎料引线界面裂纹比钎料基板的裂纹生长速度更快一些，最终成为导致焊点失效的主要原因。
薛松柏等人[9]利用数值模拟研究了热循环对QFP焊点强度和显微组织的影响。通过焊点强度试验和分析断口SEM，初步揭示了热循环对其焊点强度及显微组织影响规律。结果表明，裂纹大多在焊点内侧钎料和焊盘的界面接触面产生。随着热循环周期的增加，焊点的强度逐渐下降；通过对其断口SEM分析，发现热循环前断裂机理为韧性断裂。随着热循环周期的增加，组织中晶粒不断粗化，韧窝变大，经过120次热循环后的断裂方式主要为脆性断裂。
汪俭辛等人[10]研究了SnCuNi(Ce)材料焊点在热循环条件下的可靠性。主要从热循环对其焊点的力学性能以及界面IMC的形成过程和长大方式的影响出发，结果表明，在热循环条件下，界面IMC有明显的长大趋势，并且当热循环周期达到2000次时，焊点中出现了降低力学性能的Cu3Sn。在材料中加入少量的Ce(约0.05％)元素，能够有效的抑制界面IMC和基体IMC的长大，并减轻热循环带来的力学性能下降的影响。
1.3国外研究现状
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