多場耦合下板級互連Sn-Ag-Cu-Cu焊點失效特征及機理.pdf

1、隨著汽車電子，移動電子以及大功率集成電子設(shè)備朝向高密度化、微型化、多功能化等方面的發(fā)展。板級封裝電子元器件內(nèi)互連微焊點所受服役環(huán)境越來越苛刻。在實際服役過程中互連微焊點往往經(jīng)歷著熱、電、力載荷的共同作用，多種載荷的耦合作用不僅影響了PCB板的響應(yīng)特征而且對焊點的失效機理有著顯著的影響。因此，本文以Sn-Ag-Cu系無鉛焊點為載體，研究了在熱-力耦合(溫度-振動耦合)、熱-力-電耦合作用下，PCB板的響應(yīng)特征和微焊點的失效機理。
　

2、　測量了溫度、振動、電耦合下板級應(yīng)變、頻率、加速度等響應(yīng)數(shù)據(jù)，研究了溫度-振動耦合、溫度-振動-電耦合下PCB板的頻率響應(yīng)和形變特征的影響規(guī)律。結(jié)果表明，溫度-振動耦合下，溫度由25℃升高到100℃，PCB板一階固有頻率下降，同時一階固有頻率下的應(yīng)變峰值沒有發(fā)生變化；溫度-振動-電耦合下，電流的施加，改變了PCB板溫度分布，降低了PCB板的一階固有頻率的同時還降低了PCB板應(yīng)變峰值，由0.001下降到0.00078。揭示出多場耦合作用下

3、的板級載荷的復(fù)雜性。
　　應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)分析的方法，研究了溫度-振動耦合下微焊點的壽命、失效模式和機制。結(jié)果表明，在一定溫度范圍和激振水平下(功率譜密度PSD為1.55(m/s2)2/Hz)，溫度升高(25℃，25℃，100℃)，改善了焊點塑性性能，提高了振動載荷下焊點的壽命；焊點斷裂位置由界面金屬間化合物(IMC)與銅焊盤之間轉(zhuǎn)變?yōu)轶w釬料處內(nèi)，由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂特征；設(shè)計了不同激振水平下溫度-振動耦合下焊點失效試驗，研究應(yīng)力水

4、平對溫度-振動耦合下焊點壽命和失效模式的影響規(guī)律。隨著PSD值的逐漸升高(2.34(m/s2)2/Hz，3.35(m/s2)2/Hz，4.55(m/s2)2/Hz)，溫度對微焊點壽命和失效模式影響的趨勢逐漸不敏感。PSD為2.34(m/s2)2/Hz時，溫度升高，焊點壽命下降，PSD分別為3.35(m/s2)2/Hz和4.55(m/s2)2/Hz時，不同溫度下的焊點壽命幾乎無明顯變化。焊點主要失效模式均為體釬料裂紋和混合裂紋，溫度升高對

5、焊點失效模式的影響不顯著。過應(yīng)力作用是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因，振動載荷強度主導(dǎo)了焊點失效。
　　對比分析了冷熱沖擊-振動順序耦合與溫度-振動實時耦合下焊點的失效特征。結(jié)果表明，順序耦合作用下焊點體釬料組織粗化，致使體釬料處力學(xué)性能下降，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生在體釬料內(nèi)，抗振動性能下降，冷熱沖擊載荷的施加加速了焊點的失效。而溫度-振動實時耦合下，溫度提高使得焊點體釬料塑性性能提升，降低了焊點界面應(yīng)力水平，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生在體釬料處，兩者的失效機制

6、顯著不同。
　　揭示了三場耦合各因素對焊點失效特征的影響規(guī)律。結(jié)果表明，溫度-電-振動耦合下，電載荷的施加，降低了PCB板的應(yīng)變幅值，致使焊點的振動載荷強度降低，提高了互連微焊點的壽命；溫度-電-振動耦合下焊點裂紋為體釬料裂紋和混合裂紋，傾向于韌性斷裂。進一步提高三場耦合中電場載荷強度，電流密度由0.7×104 A/cm2提高到0.85×104A/cm2，焊點加載1小時仍未失效，分析表明焊點內(nèi)部發(fā)生明顯的電遷移現(xiàn)象，PCB振動幅值