单晶或极少晶粒构成的无铅互连焊点局部再结晶弱化和损伤机制

微电子封装已步入无铅化和微型化时代，封装密度的不断提高迫使焊点尺寸日趋减小，而且重熔后无铅微互连焊点仅由单晶或几个晶粒构成，因此，互连焊点所经历的热、力、电等环境载荷作用变得前所未有的苛刻。在高应力应变作用下，单晶或少晶粒焊点会出现局部再结晶而引起组织弱化，裂纹极易在再结晶区萌生扩展直至最终失效。因此，无铅微互连焊点可靠性仍然是制约微电子封装行业发展的瓶颈问题。与很多晶粒构成的焊点有着本质区别，单晶或几个晶粒构成的焊点的变形行为和损伤机制亟待研究。本项目拟采用多种应力应变状态，研究无铅互连焊点的局部再结晶行为、相关组织和力学性能变化及损伤机制。具体研究：应力应变集中区的局部再结晶形成机理；局部再结晶造成的显微组织变化；再结晶区和未再结晶区的力学性能表征；局部再结晶区和裂纹的萌生与扩展之间的关系；研究结果将明确无铅焊点再结晶弱化和损伤机制。

电子器件在服役过程中，不同封装材料间热膨胀系数失配引起的应力集中会使互连焊点内蠕变疲劳损伤积累，最终导致焊点失效。无铅互连焊点的主要成分β-Sn为体心四方晶体结构，在不同方向上热膨胀系数以及弹性模量等有显著差别，表现出明显的各向异性。因此，不同取向构成的焊点会呈现出截然不同的应力应变响应。本项目对BGA（Ball Grid Array）组件进行热循环、四点弯曲疲劳、单纯剪切应力、拉伸条件下实验，通过EBSD（Electron Backscattered Diffraction）对焊点取向进行表征，观察不同取向焊点内晶体取向演化情况。同时采用Surface Evolver软件对BGA焊点进行三维形态模拟，并基于实际焊点内的晶粒构成情况，对热加载条件下BGA组件内热应力应变分布情况进行计算。研究表明，不同应力作用下互连焊点的局部会发生明显的再结晶。相比重熔后的焊点，再结晶后形成的晶界网络使裂纹更加容易在该处发生晶界滑移，而且，在热循环条件下再结晶区Ag3Sn金属间化合物还发生了明显的粗化，使再结晶区的力学性能也发生明显弱化，造成该处成为互连焊点中最为薄弱的环节，因此，裂纹沿再结晶后形成的晶界网络沿晶扩展。而且，再结晶位置与原始的晶体取向有着明显的依赖关系。再结晶通常发生在裂纹萌生前，大约占焊点寿命的25-50%，因此，研究再结晶行为，可以为延迟或抑制再结晶的孕育时间提供理论依据，从而延长焊点的服役寿命，提高焊点的可靠性。晶体取向会对焊点可靠性和失效模式产生非常显著影响。对于单个晶粒构成的焊点，应力应变主要集中在靠近界面处的钎料内部，该处发生明显的再结晶并伴随着裂纹的萌生扩展；而对于多个晶粒构成的焊点，应力应变分布则依赖于晶体取向，再结晶和裂纹倾向于偏离界面处沿原有晶界向钎料内部扩展。部分特殊取向焊点，原有晶界和界面垂直，不利于形变，表现出较高的可靠性。