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感应加热重熔焊点界面反应及可靠性研究

作　者: 杨明
导　师: 杨士勤；李明雨
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 面阵封装高频感应加热界面反应金属间化合物剪切强度
分类号: TG442
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

钎料凸台和互连焊点的重熔是面阵封装的关键技术之一。由于感应加热方法的三维选择性加热,加热集中,加热速度快,加热效率高等特点,在面阵封装中受到了广泛的关注。由于感应加热是对焊点进行局部选择性加热,故互连焊点的接合机制具有一定的特殊性,界面处生成的金属间化合物的形貌与传统整体加热重熔方法制备的焊点存在一定的差异。本课题主要基于感应加热在面阵封装中的应用,研究了感应加热时焊点界面冶金反应的特殊接合机制以及界面金属间化合物形貌对焊点可靠性的影响。研究内容主要包括以下两方面:(1)通过与传统热风重熔钎料凸台的对比,研究了高频感应加热时液态钎料与固态焊盘以及在后续的老化过程中固态钎料与固态焊盘之间的界面反应,并对反应中生成的界面金属间化合物形貌以及其形成的机制作了讨论。实验表明,随着反应温度的增加,金属间化合物层逐渐由扇贝形转变成棱镜形,高频感应加热重熔时焊盘界面外围存在的棱镜状金属间化合物表明感应加热时温度不均匀。扇贝状金属间化合物的生长主要由熟化通量控制,界面化合物的总量增长相对缓慢。棱镜状金属间化合物的生长主要由界面反应通量控制,由于晶粒间的几乎没有熟化作用,故Cu原子的快速扩散通道得以保存,界面金属间化合物的总量增长相对较快。固相老化过程中不同形貌的界面金属间化合物层的增长仅受焊盘Cu原子扩散的影响,其厚度均随老化时间的平方根呈线性增长。(2)对焊点进行剪切实验,研究了不同剪切速度下不同形貌的金属间化合物对焊点可靠性的影响。分析研究表明,由于钎料在室温下的高应变速率敏感性,在高速冲击下焊点的强度明显优于低速冲击下的强度。由于金属间化合物的强度和硬度远高于钎料基体,因此界面棱镜状金属间化合物阻碍了裂纹扩展,对于裂纹的扩展起到了钉扎作用,强化了焊点的剪切性能。少量的金属间化合物表明界面实现了较好的润湿和连接,但随着金属间化合物层的增长,焊点剪切强度逐渐变小。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-7
ACKNOWLEDGEMENTS  7-14
CHAPTER 1 INTRODUCTION  14-26
  1.1 Back ground of this subject  14
  1.2 Objective and meaning  14-15
  1.3 Research status  15-25
    1.3.1 BGA introduction  15-19
    1.3.2 High density AAP assembly process  19-22
    1.3.3 Reliability issues in application  22-23
    1.3.4 Interfacial reaction  23-25
  1.4 Main research contents  25-26
CHAPTER 2 EXPERIMENTAL PRINCIPLES, MATERIALS, EQUIPMENTS AND METHODS  26-36
  2.1 Experimental principles  26-28
    2.1.1 Electromagnetic induction  26-27
    2.1.2 The Joule effect  27-28
    2.1.3 Penetration depth  28
  2.2 Experimental materials  28-29
  2.3 Experimental equipment  29-33
    2.3.1 IGBT high frequency induction heating device  29-31
    2.3.2 ST325 / ST350 Rework Station  31-32
    2.3.3 Bonding tester  32-33
  2.4 Experimental methods  33-35
    2.4.1 Preparation of solder bumps  33-34
    2.4.2 Solid-state aging test  34
    2.4.3 Shear test  34
    2.4.4 Metallographic treatment  34-35
  2.5 Summary of this chapter  35-36
CHAPTER 3 INTERFACIAL REACTION OF SOLDER JOINTS  36-56
  3.1 Introduction  36
  3.2 Interfacial reaction between liquid solder and solid-state Cu pad  36-45
    3.2.1 Morphology of wetting reaction  36-42
    3.2.2 Growth mechanism of solid-liquid interface intermetallic compound  42-45
  3.3 Interfacial reaction between liquid solder and solid-state Cu pad  45-54
    3.3.1 Morphology of solid-state aging  45-52
    3.3.2 Kinetics of solid-state aging  52-54
  3.4 Summary of this chapter  54-56
CHAPTER 4 RELIABILITY OF BGA SOLDER JOINTS  56-72
  4.1 Introduction  56
  4.2 Experimental procedure and methods  56-57
  4.3 Experimental results  57-61
  4.4 Discussion  61-70
    4.4.1 Effect of shear speed  61-63
    4.4.2 Effect of the IMCs’morphology  63-67
    4.4.3 Effect of the aging time  67-70
  4.5 Summary of this chapter  70-72
CHAPTER 5 CONCLUSION  72-74
REFERENCES  74-77

感应加热重熔焊点界面反应及可靠性研究

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