微电子封装金属间化合物力学性能及无铅焊点可靠性研究

The solder joint is an important interconnection means in microelectronic packaging, such as microelectronic devices, optoelectronic devices and MEMS. The mechanical properties and interconnection reliability of intermetallic compounds (IMC), which formed between base metal and lead-free solder during brazing process, directly influence the service reliability of lead-free solder joints, even the whole electron device. This research project is carried out by means of experimental research, theoretical analysis and numerical simulation. The change of microstructure and thickness of IMC with technological parameter is analyzed under actual working condition. Futhermore, the effect of solder materials, technological parameter, temperature and strain rate on IMC mechanical properties is investigated using nanoindentation. The elastoplastic constitutive relation involving related technological parameter is established, meanwhile the reliability of lead-free solder joint under thermal fatigue load and drop impact load are systematically researched, which will provide theoretical basis and technical support for improving the interconnection reliability of solder joint.

焊点是微电子器件、光电子器件及MEMS等微系统在封装制造时所采用的最主要互连方式，随着电子封装的无铅化，钎焊过程中无铅焊料与金属基底间所形成的金属间化合物（IMC）的力学特性及其互连可靠性直接影响无铅焊点乃至整个电子器件的服役可靠性。本项目采用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法，制备出实际工况下的无铅焊点试样，分析IMC层微观形貌与厚度随工艺参数的变化规律；通过纳米压痕测试研究不同无铅焊点材料、不同工艺参数对IMC力学性能的影响，分析探讨其力学性能的温度效应和应变率效应，建立考虑相关工艺参数的IMC弹塑性本构关系；系统研究焊点材料、工艺参数对无铅焊点热疲劳、跌落冲击载荷下可靠性的影响。本项目为改善和提高无铅焊点的互连可靠性提供理论依据与技术支持。

本项目针对实际工况下的PBGA(Plastic Ball Grid Array Package)封装器件以及POP（Package on Package）叠层封装器件，通过系统的实验研究、数值计算和理论分析对其在不同载荷下的失效破坏机理、关键焊点和关键节点位置、应力及应变随时间的变化规律等问题进行了研究。根据实际工况，制备金属间化合物微小实验样品，采用纳米压痕测试技术对金属间化合物（intermetallic mompound 简称IMC）进行实验测试，根据两种不同锥角压头纳米压痕实验得到两组载荷位移曲线，提出了确定金属材料幂指数强化的弹塑性本构方程的方法，并进一步给出无铅焊点内金属间化合物的幂指数弹塑性本构方程；采用准静态恒温测试仪，对无铅焊点Sn3.0Ag0.5Cu进行不同温度和不同应变率下的准静态压缩实验，研究发现其具有明显的温度效应和应变率效应，两者相比，温度效应更为显著；对热循环载荷下包含有不同厚度金属间化合物IMC的PBGA器件焊点进行了有限元计算，研究PBGA焊点应力应变分布情况以及其热循环寿命，并采用分段线性函数建立了PBGA器件焊点热疲劳寿命随金属间化合物IMC厚度变化的函数关系式；POP叠层封装在热循环载荷下的可靠性进行研究，发现距离中心最远处焊点为关键焊点，且危险焊点上位于对角线处的外侧与Cu交界处为危险单元。根据等效塑性应变值以Manson-coffin模型来估算POP堆叠的热循环寿命为6406(cycle)；对POP双层堆叠封装分别在简谐振动、热循环与热-振耦合三种工况载荷作用下的可靠性进行有限元计算分析，确定了POP叠层封装在不同载荷下的关键焊点、关键节点位置以及应力梯度变化；在热-振耦合的情况下，振动载荷为POP叠层封装中焊点失效的主要因素。研究成果为微电子封装可靠性的研究及电子封装技术的发展提供了一定的技术支持。