无铅焊料表面贴装焊点的高温可靠性研究

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1、中国科学院上海冶金研究所博士学位论文无铅焊料表面贴装焊点的高温可靠性研究姓名：肖克来提申请学位级别：博士专业：材料物理与化学指导教师：罗乐2001.7.1摘要本工作以开发适合在汽车和航天等领域的高温环境中服役的焊点体系为目的，利用时效、冷热循环、潮热等加速实验和高温下剪切强度实验等，研究了SnAg、SnAgCu和SnSb等无铅焊料焊点的高温可靠性，得到如下结论：，1．研究了SnAg焊料与Cu焊盘焊接所形成焊点的可靠性：<与常用的Sn62Pb36A92／Cu焊点比较，SnAg／Cu体系在150。C时效时显示了较高的稳定性，其组织粗化程度和界面金属间化合物的生长速率都

2、小于SnPbAg焊点，SnAg／Cu焊点在时效过程中能够保持更好的机械性能，断裂与界面处金属间化合物的生长有关：在热循环过程中，由于热失配产生的应变导致焊点中出现裂纹，焊点强度下降很快，但SnAg／Cu焊点保持了高于SnPbAg／Cu焊点的剪切强度；潮热实验对SnAg和SnPbAg焊点的影响不大，相对来说，对SnAg焊点影响更小。Y‘／2．首次利用时效、热循环等手段研究了SnAg焊料与Au／Ni．P／Cu焊盘所形成表面贴装焊点的高g(1500c)可靠性，并与Sn62Pb36A92焊点进行了比较。／实验发现，在时效的初始阶段，SnAg焊点表现出较高的强度，此时，Sn

3、PbAg一和SnAg两种焊点的断裂均发生在焊料内部。但当时效时间超过250h时，SnAg焊点强度剧烈下降，断裂则发生在Ni．P／Cu基体的界面上，而SnPbAg焊点则保持了较高强度。SnAg焊点在回流和时效过程中Ni．P层较多Ni的消耗可能是Ni-P与Cu基体间结合强度大幅降低的主要原因：Ni-P与焊料的反应影响Ni．P／Cu界面结合强度这一现象为本工作的重要发现。SnAgrNi—P焊点在热循环过程中也出现Ni．P从Cu基板上分离的现象；潮热实验对SnAg和SnPbAg焊点的影响不大。／srAg与Att／Ni-P／Cu焊盘形成焊点时，其可靠性明显不如SnPbAg焊

4、料。、y3．关于常用的器件端头金属化层对无铅焊料焊点的影响的研究在国内外文献中尚未见报道套针对这一现状，本文研究了两种器件端头金属化层对SnPbAg和SnSb等焊点的形状、微结构及剪切强度的影响，发现SnSb等无铅焊料对器件的金属化层种类很敏感：Ni／Agad与SnSb焊料所形成焊点的形状理想，强度最高，而SnSb／AgPd焊点则由于SnSb与AgPd的剧烈反应导致焊摘要料在器件端头区域集中而不在Cu焊盘上充分铺展，焊点强度低，断裂发生在原AgPd／陶瓷界面。对于SnPbAg焊料，器件金属化层对焊点形状和强度影响不大，剪切测试后，断裂发生在焊料内部。y，4．研究了

5、SnAg和Pb95Sn5组成复合焊点时，元素之间的互扩散，对SnAg／Pb95Sn5扩散偶的微结构及热学性能作了分析，发现低熔点SnPbAg三元共晶相的生成。通过在Pb95Sn5合金上电镀和化学镀州以充当阻挡层来防止低熔点相的生成，并对其效果进行了检验N有选择性地在C4芯片的Pb95Sn5焊料凸点上化学镀Ni首次获得成功并在倒装焊结构中得到应用。y关键词：电子糕无铅斛弋热觚眠可靠性II摘要StudyontheHighTemperatureReliabilityofLead．FreeSurfaceMountSolderJointsShawkretAhat似ajor：

6、MaterialsPhysicsandChemistry)ShanghaiInstituteofMetallurgy,ChineseAcademyofSciencesDirectedbyProf．LuoLeInthisthesis，thereliabilityofseveralkindsoflead·freesolderjoints(Sn96．5A93．5，Sn95．5A93．8Cu3．5andSn95Sb)forhiglltemperatureapplicationinautomotiveelectronicassemblieswereinvestigatedb

7、yusingacceleratetestsincludingaging，thermalcyclingandhightemperature&higllhumidity．Themainresultsaresummarizedasfollows：1．ThereliabilityofSnAgsolderjointwimCupadwasinvestigated．ItisfoundthatthereactionratebetweenSnAgandCuissmallercomparedwithSnPbAg，andtheshearstrengthofSnAg／Cusolderjo

8、intis