[01217827]绿色低银无铅钎料的高性能化研究

一、课题来源与背景 随着对微型化、便携性和多功能化的不断追求,电子产品的体积越来越小,互连焊点的体积和间距也越来越小。相应地,服役过程中互连焊点的单位面积上所承载的电流密度越来越高,高密度电流容易引起电迁移危害,严重时使产品直接失效。另外,便携式电子产品需经常在振动、机械冲击和极端温度等工况条件下服役,要求电子产品和互连焊点具有良好的力学性能,特别是抗冲击性能。目前广泛使用的钎料是Sn-Ag-Cu系或Sn-Pb系;前者含银量高、价高、质脆,后者不符合环保要求且抗电迁移性能差。 二、研究目的与意义 已有研究结果表明,低银无铅钎料的抗冲击性优于高银无铅钎料,而其它力学性能指标却与高银钎料相差不大。目前,得到业界认可和初步使用的低银无铅钎料有Sn-0.3Ag-0.7Cu和Sn-1.0Ag-0.7Cu合金。研究还发现,电流作用下Cu原子沿β-Sn的c轴方向扩散速率比a和b轴高两个数量级。然而,当时开发上述钎料时未能充分考虑钎料的抗电迁移性能,受β-Sn各向异性影响,它们的抗电迁移性能很差。因此,封装领域亟需开发力学性能和抗电迁移性能优异且价格低廉、绿色环保的低银无铅钎料。 三、主要论点与依据 根据低银无铅钎料的抗冲击性优于高银无铅钎料和微焊点电迁移可靠性提出。 四、创见与创新 项目执行过程中,首次报道了Sn基微焊点Cu基底的晶体特性与电迁移可靠性之间的关系,并对微观机理进行了深入研究。 五、社会经济效益 晶体特性对微焊点抗电迁移性能的影响,对于今后工程领域中生产高性能焊点具有指导意义;消除引起锡溅和桥连缺陷的原因,是生产中提高微焊点性能和合格率的重要方面。上述结果为制备高性能微焊点提供了理论依据和生产中提高合格率提供了技术积累。 六、存在的问题 研究中得到的结论对工程领域具有实用价值或潜在价值,如引起锡溅和桥连缺陷的因素,以及晶体特性对抗电迁移性能的影响,但如何控制Sn晶粒的空间排列是最大的挑战。 七、成果简介 初期对Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu合金的名义成分进行了优化,然后按照优化结果熔制了不同成分的合金;制备了500 μm、300 μm、200 μm、150 μm、和100 μm的线性微焊点,再利用动态力学分析仪（DMA）和加载直流电测试了拉伸性能和抗电迁移性能。结果表明,当加入微量稀土元素后,直径较大的微焊点的延伸率有所提高,但对电迁移性能几乎没有影响,此时决定微焊点电迁移性能的关键因素是微焊点基体组织β-Sn的各向异性;当直径小于200 μm时,钎料成分的变化对微焊点拉伸性能的影响有限,而且钎料合金成分对抗电迁移性能的影响远远不及微焊点直径减小,即尺寸效应的影响。团队早期研究过程中初步发现了微焊点基底材料的组织特性也可明显影响微焊点的抗电迁移性能。为此,研究团队及时调整了研究目标,将重点转移到研究组织特性对微焊点性能的影响。利用聚焦粒子束-扫描离子显微镜（FIB-SIM）和透射电子显微镜（TEM）以及电子背散射（EBSD）分析技术,研究了Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu微焊点在电迁移过程中阴极侧Cu原子扩散与Cu基底间的相互关系。结果表明电迁移现象与Cu基底的晶体特性紧密相关,Cu晶粒的晶体性质可以显著影响阴极Cu基底的局部溶解。结合晶格中不同晶面上原子表面能和跃迁能垒不同,初步阐明了基底与基体组织不均匀性耦合作用对微焊点可靠性的影响及其机制。面向工程领域,借助无助焊剂激光喷射锡球键合（LJSBB）技术,系统研究了微焊点制备过程中桥连和锡溅缺陷产生的原因。结果表明,焊盘位置对准、焊盘表面污染物和锡球表面氧化物是引起桥连缺陷的主要原因,并阐明了冷却过程中,熔融锡球在平衡位置附近振动是决定桥连缺陷的产生与否;结果还表明,焊盘内的微小空洞容易导致锡溅缺陷,其中的气体受热急剧膨胀后爆炸是引起锡溅的内在机制。 上述成果共发表SCI、EI和CSCD期刊论文各1篇、在行业国际会议上交流论文（EI）1篇,申请并授权2项实用新型专利。 八、历年获奖情况 无。