功率模块封装中无铅焊料层热迁移触发条件及界面应力状态研究

The reliability of solder layers in power electronics packaging structures is significantly threatened from thermo-migration, since the complicated structure of these modules, the relatively high service temperature and thermal gradient. .At present，the triggering conditions of thermo-migration of different metal atoms are unknown, while the interfacial intension/compress stresses and their influence caused by atomic migration are also need to be understood. . In this study，the triggering conditions of theromo-migration of different solder atoms will be studied using experiments and first principle theory. Further, the interfacial intension/compress stresses and their influence on reliability of interfaces will also be systematically discussed. This research can significantly enrich the current theories on the structural design, choice of materials and processing parameters of power modules.

由于服役温度高、材料构成复杂，功率模块封装结构各互连焊料层中温度梯度较大，无铅焊料层的可靠性面临来自热迁移的严重威胁。热迁移条件下，焊料层中不同金属原子的迁移触发条件及其对互连界面产生的拉压应力等基础科学问题亟待深入理解。. 基于此，本研究从热迁移条件下界面金属间化合物的挤出行为这一细微现象着手，结合实验和分子动力学模拟深入研究无铅焊料金属原子热迁移行为的触发条件和迁移规律，并系统分析不同热加载条件下金属原子迁移对互连界面产生的拉压应力及其对界面可靠性的影响。本项目通过对这些基础科学问题的研究能够获得可靠、完整的数据，对功率半导体模块封装中的结构设计、材料选择、工艺实施等提供参考。

本研究以无铅锡基焊料合金为研究对象，对无铅焊料常见金属原子的热迁移触发条件和特点进行了分析，并研究了热迁移条件下互连界面拉压应力状态的变化及影响，具体围绕以下几部分内容开展：. 在焊料和热迁移装置制备和分析方面，采用冷轧工艺制备了以SAC305为代表的几种不同厚度的无铅焊料片；对原有热迁移温度梯度发生装置进行了优化改进，并结合实验和模拟手段对其可靠性进行了分析，实现了在多种类不同厚度焊片中的温度梯度可调节。. 在互连界面金属原子热迁移行为的分子动力学模拟方面，建立了互连界面原子扩散模型，并根据原子间相互作用选取MEAM势能函数用于描述金属原子间作用势，计算了主要目标金属原子的扩散系数、扩散激活能以及扩散厚度等关键参数，研究得到SAC系无铅焊料的宏观热迁移触发条件为服役温度120℃，温度梯度1072K/cm，根据模拟预估出界面铜原子形成定向迁移的基础条件约为服役温度不低于90.5摄氏度，温度梯度不低于810K/cm，并计算得到了界面和基体中主要原子的关键热迁移参数。. 在金属原子热迁移触发条件及迁移特点的实验验证方面，通过设置不同的环境温度、温度梯度和焊缝互连宽度，观察了不同加载条件下焊料层的微观组织演变，确定了焊料层界面发生热迁移的触发条件和加载阈值，并结合ICP-OES元素分析手段定量分析了特定加载条件下的目标金属原子的迁移方向和迁移速率。.在热迁移条件下互连界面应力状态及其影响分析方面，通过分析界面金属间化合物的挤出体积、孔洞体积和加载时间等实验数据结合本征应变和级数解数值分析估算了整个热加载期间互连界面的拉压应力状态，得到了焊缝内密席斯应力的分布、传导和变化特点，并计算出界面平均压应力约为2.124MPa。. 本研究融合了实验分析、分子动力学模拟和数学分析等多种方法，对大温度梯度下无铅焊料中主要原子的迁移和扩散行为进行了较为深入地分析，研究结果能够对后续进一步分析大功率封装结构的热迁移失效行为起到较强的理论指导作用，在封装材料选择和设计方面具有较高的应用指导意义。