微焊点SAC/Cu塑性与蠕变性能研究
微电子封装技术一直向着高密度、系统化的方向发展。这使得微电子产品中的焊点越来越小。板级封装中的微焊点直径已达到200微米至760微米之间，芯片上的预制凸点达到20微米。此时，微焊点的塑性与蠕变性能与大尺寸焊点之间存在很大差别。本文以几种典型 SAC/Cu BGA焊点(焊球直径400微米)为载体，借助纳米压痕技术手段，原位研究了微焊点的塑性及蠕变性能。 研究了微焊点在纳米压痕仪压头作用下的塑性变形现象，分析了纳米压痕实验加载速率对微焊点塑性变形行为的影响，加载速率增大，微焊点的硬度升高。以传统塑性应力-应变本构关系模型为基础，通过对纳米压痕载荷-深度曲线的解析，建立了基于纳米压痕法的微焊点塑性变形应力-应变本构方程。利用微焊点压痕变形过程中产生的塑性应变与总应变的比值作为塑性因子，表征微焊点的塑性。建立了塑性因子与温度(25℃-85℃)之间的关系。研究了微小压痕的塑性因子，发现了压痕深度较小(小于1000纳米)时，塑性因子存在尺寸效应。基于固体力学中的“应变梯度理论”，建立了尺寸因子与几何必需位错之间的关系。 基于传统的粘塑性蠕变本构关系模型，借助纳米压痕法建立了微焊点SACBN/Cu和SAC305/Cu的蠕变本构方程。获得了微焊点在不同温度下(25℃-85℃)的蠕变应力指数。利用纳米压痕“阶梯加载-卸载”方法，获得了变应力条件下微焊点 SACBN/Cu和SAC305/Cu的蠕变性能。外加应力突然增加，焊点蠕变速率迅速增加后，蠕变速率逐渐变缓，最终趋于稳定。阶梯加载后，微焊点产生了明显的应变硬化显现，蠕变应变速率降低，应力指数增加。 对界面金属间化合物 Cu6Sn5和(Cu，Ni)6Sn5的高温塑性变形行为进行了研究。室温下，金属间化合物(Cu，Ni)6Sn5的硬度和弹性模量均高于Cu6Sn5，随着温度的升高，Cu6Sn5和(Cu，Ni)6Sn5硬度变化遵循一个线性衰减方程。二者的弹性模量随温度升高呈指数型降低。建立了 Cu6Sn5和(Cu，Ni)6Sn5塑性因子与温度之间的关系方程。随着温度的提高，界面金属间化合物Cu6Sn5和(Cu，Ni)6Sn5的变形能力提高。 分析了 Ni掺杂对焊点内金属间化合物形貌、剪切性能的影响机理。焊点内添加 Ni元素，可以改变焊点内金属间化合物的成分，形态和分布。焊点的剪切性能得到提高。微焊点体钎料的强度较高时，焊点内部金属间化合物与体钎料达到良好的强度匹配状态，在保证焊点具有较好塑性的情况下，可以进一步提高焊点剪切强度。
微焊点;本构方程;尺寸效应;微电子封装;蠕变性能
哈尔滨理工大学
博士
材料学
孙凤莲
2015
中文
TN305.94
121
2016-01-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）