SAC305在電遷移和熱沖擊時的性能演變-深圳福英達
SAC305在電遷移和熱沖擊時的性能演變-深圳福英達
對于電子封裝密度越來越高的設備來說，高電流密度和微小的焊料直徑使得焊點可靠性面臨電遷移等問題。為了解決這些問題，有必要了解錫膏焊料的微觀結構演變和失效機制。并且當焊料在受到熱沖擊時，熱量和電遷移的共同作用會加速原子擴散和熱應力的形成，從而導致金屬間化合物（IMC）的過度生長。另外熱沖擊會使得熱膨脹系數不一致會加速焊接失效。
實驗過程
為了深入了解焊料在熱沖擊和電遷移時焊點會發生哪些變化，Li等人對SAC305進行一系列的熱沖擊（-196℃到150℃）和電遷移測試（電流密度: 2*10^4A/cm^2）,并分析了焊點微觀結構演變和失效機制。圖1(a)顯示了尺寸為20mm*20mm的測試模塊，由4個尺寸300μm的SAC305焊球組成，焊盤直徑為250μm，且芯片焊盤上鍍有鎳層。通過兩個回流工藝焊接錫球和芯片。
圖1. 測試單元和回流曲線。
實驗結果
IMC結構
在對SAC305焊點通電并進行熱沖擊循環后，左側焊點在15次熱循環后，在陽極界面處檢測到連續的(Cu, Ni)6Sn5 IMC層，并且由于電遷移的電子流驅動Sn和Ni原子向陽極遷移，陽極IMCs的形態從扇貝狀變為平面型。在陰極界面處也有非常薄的(Ni, Cu)3Sn4層。對于右側焊點，在陽極和陰極界面分別形成了(Ni, Cu)3Sn4和Cu6Sn5。(Ni, Cu)3Sn4的厚度隨著電遷移時間增加而變厚，這歸因于焊點原子隨著電子流從陰極遷移到陽極。
圖2. 熱沖擊測試后的IMC變化。
失效模式
在左側焊點的上界面處觀察到痕量Cu的溶解。局部痕量溶解的發生可以用SAC305焊點的凝固和電遷移后熱循環來解釋。電流傾向于選擇電阻最低的路徑，這也促進了電子在電子流進入焊點的位置積聚，導致在入口處產生電流擁擠和焦耳熱。因此，由于焦耳熱累積，在拐角處觀察到焊點的局部Cu溶解。此外，由于不同結構的CTE不匹配和晶格畸變，裂紋沿著陰極界面擴展導致焊點失效。類似的，右側焊點在熱循環后也出現了Cu焊盤的局部快速溶解，并在陽極界面處形成裂紋。
圖3. 18次熱沖擊后焊點的失效機制。(a-d)左側焊點; (e-f)右側焊點
在6次熱循環之前，陰極側剪切表面上發現了細長的斷裂凹坑。因此，該斷裂形式屬于韌性斷裂。在6次循環后，在剪切表面上檢測到Ni3Sn4 IMC(紅色)，這一現象表明焊點的斷裂模式轉變為韌性-脆性混合斷裂。隨著熱循環次數繼續增加，斷裂口Ni3Sn4數量增加。陽極側焊點也有著類似的斷裂機制，即斷裂機制從韌性斷裂轉變為韌性-脆性混合斷裂。通過斷裂模式可以知道陰極側的剪切強度隨著循環次數增加而下降。然而陽極側強度先下降后上升，這是因為持續的極端的溫度使得斷裂面開始出現孿晶并增強了焊點的強度。
圖4. 焊點陰極側(上)和陽極側(下)剪切失效圖。(a)回流后; (b)3次循環; (c)6次循環; (d)9次循環; (e)12次循環; (f)15次循環。
參考文獻
Li, S.L., Hang, C.J., Zhang, W., Guan, Q.L., Tang, X.J., Yu, D., Ding, Y. & Wang, X.L. (2023). Current-induced solder evolution and mechanical property of Sn-3.0Ag-0.5Cu solder joints under thermal shock condition. Journal of Alloys and Compounds.
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