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BGA结构Sn3.0Ag0.5Cu焊点剪切断裂行为及体积效应的有限元模拟与实验研究

作　者: 夏建民
导　师: 张新平
学　校: 华南理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 焊点可靠性剪切断裂体积效应应力强度因子扭折角
分类号: TN05
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着电子产品的不断小型化,细小间距互连及高密度封装技术得到快速发展,相应的互连焊点的体积也在逐步减小。然而,焊点尺寸不断减小时其显微组织和力学性能等均会发生改变,呈现出明显的焊点体积（或尺寸）效应。因此,研究焊点体积减小引起的显微组织和力学性能的变化规律（即焊点体积效应）就显得尤为重要。实际工作条件下的互连焊点主要承受由不同材料热膨胀系数不匹配而引起的剪切应力,因而剪切测试更能反映实际焊点的载荷条件以及失效机理。本文采用二维有限元模拟与实验对不同体积（高度）的BGA结构Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点在剪切载荷下裂纹的萌生与扩展、断裂路径及断裂机理进行了深入研究,分析了焊点体积（高度）对其二次回流界面IMC生长及其演化、断裂强度、断口形貌及断裂机理的影响。首先,本文根据回流前后钎料体积保持不变的假设并结合最小能量法,提出了一种简单的回流后焊点外形计算方法,并以焊点高度为0.30 mm及回流前所用焊球直径为0.60 mm为基准,计算出不同焊点高度（即0.10、0.15、0.20、0.30和0.50 mm）互连焊点的外形参数以及所需的焊球大小。根据计算结果,采用合理的回流工艺,制备出不同体积（高度）的BGA结构焊点试样,并建立了相应的有限元模型。然后,研究了焊点二次回流界面IMC的生长及演化过程。研究结果表明:界面IMC的厚度随焊点高度的降低而增加,且钎料体内的组织趋于细化。经125℃时效1000小时后,界面IMC厚度增加,Cu/Cu₃Sn和Cu₃Sn/Cu₆Sn₅界面以及Cu₃Sn和Cu₆Sn₅层中出现Kirkendall空洞,且空洞密度随焊点高度降低而增大。采用动态力学分析仪（DMA）测试了不同体积焊点的剪切强度,并采用SEM分析了断口形貌。研究结果发现,焊点经时效后剪切强度有所下降;在剪切力作用下未时效焊点中裂纹主要在Cu₆Sn₅/钎料界面的近界面的Cu₆Sn₅内萌生,并迅速向钎料体内扩展;然而经125℃时效1000小时后焊点中裂纹主要在Cu₃Sn/Cu界面萌生,并在IMC内扩展一定区域后转移至钎料体内扩展,焊点高度越高则在IMC内的扩展区域越大。采用有限元法方法模拟研究了焊点的变形行为。研究结果表明,焊点的断裂路径与高Von Mises塑性应变带分布特性一致。不同高度的焊点其平均弹性、塑性及剪切应变均小于名义变形。在小应变（5%以下）情况下,焊点平均应变随焊点高度降低而增加,而在较大应变（5%以上）下则随焊点高度降低而减小。仅当焊点中的钎料发生塑性变形时,剪切效果才开始在焊点内传播。本文最后分别研究了纯弹性及粘塑性焊点的断裂行为。研究结果表明,不同属性的焊点均呈现张开型断裂（即K_Ⅰ主导）而非剪切型（即K_Ⅱ主导）断裂。预置裂纹距IMC/钎料界面位置一定时,相同体积焊点的断裂参数相近且与界面IMC厚度无关。IMC厚度一定时,裂纹距离界面越远则其应力强度因子（K_Ⅰ和K_Ⅱ）和扭折角（θ）越大,其裂纹扩展方向越小,也即裂纹越倾向于在IMC内扩展。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-30
  1.1 电子封装技术概述  12-15
    1.1.1 电子封装的定义  12
    1.1.2 电子封装的层次  12-13
    1.1.3 电子封装的功能  13
    1.1.4 电子封装技术的发展概述  13-15
  1.2 面阵列封装简介  15-17
    1.2.1 球栅阵列封装简介  15-16
    1.2.2 芯片尺寸封装简介  16-17
    1.2.3 倒装芯片技术简介  17
  1.3 电子封装用无铅钎料  17-20
    1.3.1 电子封装用钎料无铅化驱动力  17-18
    1.3.2 电子封装常用无铅钎料系列简介  18-20
  1.4 面阵列封装焊点剪切性能研究现状  20-25
    1.4.1 推球实验（ball shear test）  21-22
    1.4.2 搭接实验（lap shear test）  22-25
  1.5 焊点尺寸、体积效应研究现状  25-27
    1.5.1 焊点尺寸、体积对组织的影响  25-26
    1.5.2 焊点尺寸、体积对力学性能的影响  26-27
  1.6 本研究的意义和主要内容  27-30
第二章有限元分析和实验方法  30-38
  2.1 有限元分析  30-33
    2.1.1 有限元法简介  30
    2.1.2 有限元法在电子封装中的运用  30-31
    2.1.3 本模拟采用的有限元模型及材料参数  31-33
  2.2 有限元法分析焊点的断裂途径与断裂机理  33-35
    2.2.1 有限元法计算应力强度因子  33-34
    2.2.2 复合型裂纹扩展准则  34-35
  2.3 实验方法  35-38
    2.3.1 实验材料与实验仪器  35
    2.3.2 实验方法与实验步骤  35-38
第三章 BGA 结构Sn3.0Ag0.5Cu 焊点剪切性能体积效应的研究  38-58
  3.1 引言  38-39
  3.2 有限元模型参数计算  39-41
  3.3 不同高度Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu BGA 焊点回流后的组织分析  41-42
  3.4 不同高度Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu BGA 焊点剪切强度断裂分析  42-52
    3.4.1 基于实验和模拟的BGA 结构焊点的施加载荷—位移曲线  42-44
    3.4.2 BGA 结构焊点的弹性与塑性变形的体积效应的有限元模拟  44-48
    3.4.3 不同高度焊点的断裂途径分析  48-52
  3.5 时效对不同高度Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu BGA 焊点剪切断裂的影响  52-55
    3.5.1 时效对不同高度Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu BGA 焊点界面组织的影响  52-53
    3.5.2 时效对不同高度Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu BGA 焊点断裂强度的影响  53-54
    3.5.3 时效对不同高度Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu BGA 焊点断口形貌分析  54-55
  3.6 本章小结  55-58
第四章 BGA 结构Sn3.0Ag0.5Cu 焊点剪切断裂机理研究  58-74
  4.1 引言  58-59
  4.2 建立有限元模型  59-60
  4.3 钎料属性对焊点断裂的影响  60-66
    4.3.1 材料属性对裂纹尖端附近应力分布的影响  60-62
    4.3.2 材料属性对裂纹尖端及其裂纹面相对位移的影响  62-64
    4.3.3 材料属性对应力强度因子的影响  64-66
  4.4 IMC 厚度对不同高度焊点断裂的影响  66-69
    4.4.1 不同IMC 厚度的焊点裂纹尖端应力的变化  66-67
    4.4.2 不同IMC 厚度的焊点裂纹尖端应力强度因子的变化  67-68
    4.4.3 不同IMC 厚度的焊点扭折角θ变化  68-69
  4.5 预置裂纹相对界面的位置的对断裂的影响  69-73
    4.5.1 不同位置的裂纹尖端应力的变化  70-71
    4.5.2 不同位置的裂纹SIFs 的变化  71-72
    4.5.3 不同位置的裂纹扭折角θ的变化  72-73
  4.6 本章小结  73-74
全文总结及工作展望  74-76
参考文献  76-83
攻读硕士学位期间取得的研究成果  83-84
致谢  84

BGA结构Sn3.0Ag0.5Cu焊点剪切断裂行为及体积效应的有限元模拟与实验研究

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