Sn-Ag-Cu無鉛球柵陣列焊點塑性表征

楊淼森，孫鳳蓮，孔祥霞，周云芳

(1.哈爾濱理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150080；2.哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院，哈爾濱 150081)

隨著封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，球柵陣列封裝技術(shù)中，焊球的尺寸越來越小。常用的焊球直徑只有幾百微米，某些應(yīng)用領(lǐng)域的焊球直徑甚至達到50 μm以下。單一焊點在服役過程中所承受的力、電、熱載荷(機械疲勞、熱疲勞、沖擊等)越來越大，其塑性性能直接影響焊點的可靠性。然而，受力學(xué)性能尺寸效應(yīng)的影響，通過傳統(tǒng)拉伸等方法獲得的材料的變形規(guī)律已無法準確反映微焊點的塑性。因此，對BGA焊點的塑性性能的原位研究，對合理選擇釬料和提高產(chǎn)品壽命有著重要意義。

納米壓痕法在材料微觀力學(xué)性能研究方面有獨特的優(yōu)勢[1-2]，除獲得硬度與彈性模量等材料性能指標外，研究者還通過定義新的塑性指標用來描述材料塑性，并通過數(shù)值模擬及在陶瓷和金屬的納米壓痕實驗中進行了驗證[3-6]。

在微電子封裝領(lǐng)域，納米壓痕技術(shù)在研究微小尺寸焊點的力學(xué)性能方面得到廣泛應(yīng)用，但多集中在壓痕硬度和彈性模量等力學(xué)性能參數(shù)的測量與比較方面，對塑性的研究多集中蠕變性能分析方面[7-14]，缺少對釬料對釬料塑性的直接比較。

針對以上問題，本文作者以BGA焊點為研究對象，使用納米壓痕實驗方法，從動態(tài)硬度、蠕變特征及用塑性應(yīng)變與總應(yīng)變的比值3個方面來表征微焊點塑性，并對不同成分的BGA焊點塑性變形行為進行了比較。

1 力學(xué)參數(shù)的確定

加載和卸載的壓痕過程中載荷-位移(p-h)曲線示意圖如圖1所示。圖中pmax和hmax分別為最大載荷和最大壓入深度，hf為卸載后的殘余深度；S為彈性接觸剛度，為試驗中卸載曲線頂部斜率；hml為加載到最大載荷處位移；hmu為初始卸載點位移。切線與坐標軸的交點位移定義為hc。

圖1 釬料合金的典型微載荷-深度曲線[9]Fig.1 Typical indentation load-depth curves of solder alloy[9]

壓痕法測量材料的硬度和彈性模量的基本關(guān)系式為

式中：p是載荷；A是該載荷下投影接觸面積。

對于Berkovich壓頭：

式中：h是壓頭和測試部分之間規(guī)定的接觸深度；ε為壓頭形狀修正系數(shù)，取決于壓頭幾何形狀，對三棱錐壓頭ε=0.75。

Er由壓痕實驗獲得，定義為

式中：Er為壓入折合模量；β為壓頭非對稱的修正系數(shù)(對 Berkovich 壓頭，β=1.034)[14]。

通過Er可以計算出材料的壓痕彈性模量E：

式中：E、ν分別為被測材料的彈性模量和泊松比；Ei、iν分別為壓頭的彈性模量和泊松比。對于金剛石壓頭，Ei=1114 GPa，iν=0.07。

在最大載荷處保持一段時間所產(chǎn)生的蠕變過程中蠕變硬度可描述為[9]

式中：g為Berkovich壓子的形狀因子(取24.56)；Hcr為蠕變硬度；Wcr為蠕變做功；ΔVcr為蠕變變形體積。

圖2 壓痕測試過程中蠕變做功示意圖[9]Fig.2 Schematic diagram of creep deformed volume during hold time in indentation test[9]

整個壓痕蠕變測試過程中材料所發(fā)生的塑性變形都處于一個塑性半球之內(nèi)，其外側(cè)則為純彈性。塑性半球的半徑r(見圖2)可表示為[9]

式中：σy為屈服強度(σy=H/3)。在給定加載速率及Fm情況下，Hcr一定時，所產(chǎn)生的塑性半球也就固定。從而可以定義蠕變過程中的應(yīng)變：

式中：Vp為塑性變形體積；Δt為蠕變時間。根據(jù)上述分析，通過F-h曲線可以得到不同加載速率條件下的lnHcr和lnεcr的線性關(guān)系，從而得到應(yīng)力敏感指數(shù)n。

體釬料可以由拉伸實驗得到的標準塑性特征，而在微觀尺度很難得到傳統(tǒng)的塑性特征曲線。通過納米壓痕實驗中，可以對材料的塑性變形特征進行比較。MILLMAN等[6]提出了一種根據(jù)納米壓痕試驗結(jié)果比較材料塑性的方法。其提出的塑性指標δH為一個無量綱參數(shù)，是塑性應(yīng)變與總應(yīng)變的比值，這個塑性的定義符合被廣泛接受的對塑性的理解，即材料對變形的承受能力。對于壓頭錐面與軸線夾角為65.3°的Berkovich壓頭：

式中：ε、εp和εe分別為壓痕總應(yīng)變、塑性應(yīng)變和彈性應(yīng)變；E和ν分別為被測材料的彈性模量和泊松比。

2 實驗材料及方法

本研究中選用化學(xué)分析純Sn、Ag、Cu、Bi和Ni這5種元素，在純氬氣保護下，使用高頻感應(yīng)熔煉設(shè)備，在石英器皿中制備出Sn3Ag0.5Cu(SAC305)、Sn0.3Ag0.7Cu(SAC0307)和Sn0.7Ag0.5Cu3.5Bi0.05Ni-(SAC0705BiNi)釬料合金。

將合金制成直徑為760 μm的BGA小球，置于690 μm銅焊盤上，使用松香酒精助焊劑，在T340C回流焊爐進行焊接得到BGA焊點。回流焊峰值溫度為260℃，保溫60 s，總焊接時間為560 s。

納米壓痕試驗在島津DUH-211S型納米硬度儀上進行。試驗采用115°Berkovich壓頭對焊點進行壓痕試驗。采用一次加載-卸載方式，壓痕間距在5倍壓痕尺寸以上，使用200 mN載荷，加載速率分別為5、10、15、20和50 mN/s；在最大載荷處保載時間為5s，卸載速率和加載速率相同，每個參數(shù)重復(fù)5次，取平均值。

3 結(jié)果與分析

3.1 回流焊BGA焊點的壓痕動態(tài)硬度

在加載過程中壓頭以脈沖加壓的形式壓入材料。納米壓痕動態(tài)硬度是根據(jù)JIS(日本工業(yè)標準)的標準，通過測量加載過程中載荷和瞬時壓痕深度得到的。動態(tài)硬度反映了材料在復(fù)雜應(yīng)力條件下的塑性變形抗力。圖3所示分別為SAC305、SAC0307和SAC0705BiNi無鉛釬料的BGA焊點動態(tài)硬度曲線。3種焊點的壓痕深度如表1所列。

表1 不同成分BGA焊點的壓痕深度Table 1 Indentation depth of different component BGA solder joints

從圖3中可以看出，在相同加載條件下，3種釬料硬度隨著壓痕深度的增加而減小，壓痕面積越小硬度越高，表現(xiàn)出明顯的壓痕尺寸效應(yīng)。3種釬料的動態(tài)硬度降低速度均在1.1 μm深度附近都發(fā)生了較明顯的變化。這是由于在微觀尺度，傳統(tǒng)經(jīng)典塑性理論不適于解釋微觀變形現(xiàn)象[15-17]。壓痕深度較小時，應(yīng)變梯度引起的幾何必須位錯(Geometrically necessary dislocation，GND)，以及統(tǒng)計存儲位錯(Statistically stored dislocation，SSD)提高的變形阻力，材料得到強化，因而產(chǎn)生壓痕尺寸效應(yīng)[18-19]。

圖3 不同成分BGA焊點壓痕的動態(tài)硬度曲線Fig.3 Dynamic hardness-depth curves of BGA solder joints with different components

SAC0705BiNi/Cu焊點中，由于Bi元素的固溶強化作用(見圖4)，提高了材料的強度，富余的Bi元素形成富Bi顆粒分布于基體中(見圖5)，增加位錯運動的阻力。SAC305/Cu焊點中的銀含量高于SAC0307/Cu焊點中的，其基體中大量彌散分布的Ag3Sn起到彌散強化作用(見圖6)，因此，SAC305/Cu焊點的最終硬度高于SAC0307/Cu焊點的。隨著壓痕深度的增加，SAC305/Cu焊點的硬度的降低速率最小，說明在壓頭壓入過程中，SAC305/Cu焊點產(chǎn)生了較明顯的硬化現(xiàn)象。

圖4SAC0705BiNi/Cu的SEM像和EDX結(jié)果Fig.4 SEM image (a)and EDX results(b)of SAC0705BiNi/Cu

圖5 焊點中富Bi顆粒的SEM像和EDX分析結(jié)果Fig.5 SEM image(a)and EDX results(b)of Bi-rich particles in joint

圖6Ag3Sn的SEM像和EDX分析結(jié)果Fig.6 SEM image(a)and EDX results(b)ofAg3Sn

3.2 BGA焊點的抗蠕變性能

圖7所示為3種無鉛釬料BGA焊點在最大載荷為200 mN，加載速率為5 mN/s下的納米壓痕蠕變載荷-深度曲線，表2所列為它們的蠕變數(shù)據(jù)。

蠕變深度是載荷保載過程中，釬料壓痕深度的變化。蠕變硬度反映了在蠕變過程中材料塑性變形的抗力。由表2可見，相同條件下，SAC0705BiNi釬料BGA焊點的蠕變深度最小，蠕變硬度遠高于其他兩種釬料的，表明其蠕變過程中的阻力較其他兩種釬料中的大。

圖8所示為加載速率-蠕變深度曲線。從圖8中可以看出，壓痕蠕變深度與加載速率正相關(guān)。在相同加載速率下，SAC0307/Cu釬料BGA焊點的蠕變深度最大，SAC305/Cu的次之，SAC0705BiNi/Cu釬料BGA焊點的蠕變深度最小。且當(dāng)加載速率為50mN/s時，SAC0705BiNi/Cu焊點的蠕變深度沒有明顯增加。由此可見，SAC0705BiNi抗蠕變能力更強，并在高加載速率下具有較好的抗蠕變性能。

通過擬合得到SAC0307/Cu、SAC305/Cu、SAC0705BiNi/Cu焊點的應(yīng)變速率敏感指數(shù)m分別為0.25、0.114、0.0887，對應(yīng)的蠕變應(yīng)力敏感指數(shù)n分別為4、8.772、11.274(見圖9)。其中SAC305/Cu焊點的蠕變應(yīng)變速率敏感指數(shù)與文獻[7]中的0.1111相近。表明SAC0307/Cu焊點的蠕變機制是位錯攀移機制，SAC305/Cu、SAC0705BiNi/Cu焊點為第二相顆粒增強機制，其蠕變受非基面位錯運動的控制。無鉛焊點的抗蠕變性能與釬料的成分與組織有關(guān)。三元合金SAC305中的銀含量遠高于SAC0307中的，Ag元素以金屬間化合物的形式大量彌散分布在基體中，提高了基體的抗蠕變能力。對于低銀多元合金SAC0705BiNi，合金元素Bi通過固溶強化作用顯著提高了合金的硬度與抗蠕變性能。Ni元素與Cu元素的共同作用提高了合金中金屬間化合物的含量，也有利于提高釬料的抗蠕變能力。

圖7 不同成分BGA焊點的載荷-深度曲線Fig.7 Indentation load-depth curves of different component BGAsolder joint

表2 不同成分BGA焊點的壓痕蠕變對比Table 2 Comparison of creep of different component BGA solder joints

圖8 不同成分BGA焊點的蠕變深度-加載速率曲線Fig.8 Creep depth-load rate curves of different component BGAsolder joints

圖9 不同成分BGA焊點蠕變應(yīng)變速率敏感指數(shù)的擬合曲線Fig.9 Fitting curves of creep strain rate and hardness logarithm relation of different component of BGAsolder joints

表3 不同成分BGA焊點δH值Table 3 δHvalues of different component of BGA solder joint

3.3 BGA焊點的塑性變形特征

表3所列為3種成分BGA焊點，根據(jù)最大加載力200 mN，加載速率10 mN/s的試驗結(jié)果計算得到δH。從表3中數(shù)值對比可見，低銀焊點SAC0307/Cu的塑性相對較好。SAC305/Cu與SAC0705BiNi/Cu焊點的塑性相當(dāng)。焊點的塑性受其添加合金元素含量的影響，合金元素含量越低，焊點的塑性越好。3種釬料中，SAC0705BiNi通過加入Bi和Ni元素在提高釬料的硬度和彈性模量的同時，還保持了較好的塑性性能，獲得了良好的綜合力學(xué)性能。

在壓痕產(chǎn)生的過程中，塑性應(yīng)變與總應(yīng)變的比值(δH)表征材料塑性在金屬與陶瓷塑性研究中得到應(yīng)用，SiC和WC等的δH為0.35～0.82，F(xiàn)e、Au等幾種常見純金屬的δH為0.92～0.99[20-21]。與陶瓷和純金屬相比，釬料成分復(fù)雜，由于晶粒大小、晶向及化合物分布等因素影響，使用納米壓痕方法釬料的H和E的數(shù)值較分散，但可以通過合理設(shè)計試驗方案，嚴格控制實驗條件，并通過數(shù)學(xué)方法對所得數(shù)據(jù)進行處理，對結(jié)果進行修正。

4 結(jié)論

1)在納米壓痕實驗中，使用塑性應(yīng)變與總應(yīng)變的比值作為塑性指標，表征3種成分焊點的塑性。比較不同成分BGA焊點的塑性，此方法簡便可行。

2)焊點中添加合金元素的含量對焊點的塑性變形能力有較大影響，SAC0705BiNi/Cu焊點與SAC305/Cu焊點的塑性相近。在壓頭動態(tài)壓入的過程中，SAC305/Cu焊點表現(xiàn)出應(yīng)變硬化現(xiàn)象。

3)通過不同加載速率下的蠕變硬度和蠕變應(yīng)變速率關(guān)系導(dǎo)出了SAC0307/Cu、SAC305/Cu、SAC0705BiNi/Cu焊點的應(yīng)變速率敏感指數(shù)m分別為0.25、0.114、0.0887，對應(yīng)的蠕變應(yīng)力敏感指數(shù)n分別為4、8.772、11.274，表明SAC0307/Cu焊點的蠕變機制是位錯攀移機制，SAC305/Cu、SAC0705BiNi/Cu焊點為第二相顆粒增強機制，其蠕變受非基面位錯運動的控制。

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