抗辐射加固微电子论文提纲

论文题目：⁶⁰Co γ射线辐照及低温热循环对AuSn20钎料焊点组织和性能的影响

摘要：AuSn20（Au20Sn80,wt.%）钎料具有优异的导热导电性和抗氧化性,该钎料焊点的抗剪强度和抗疲劳性能明显高于传统的Sn-Pb钎料和无铅Sn基钎料,被广泛应用于高端的微电子和光电子器件封装中。虽然该钎料价格昂贵,但是在军工、航空航天领域的电子组件封装,特别是航天大功率芯片与电路基板的高可靠连接中,AuSn20钎料仍然扮演着不可或缺的重要角色。近年来,航天领域从近地探测往深空探测的快速发展使得空间电子装备朝着轻量化、小型化方向发展,这对航天电子器件焊点的可靠性提出了更高的要求。若能提高焊点本身抵抗空间环境如空间辐射和热冲击的能力,将省去大量的抗辐射加固结构和热控设备,实现航天电子系统轻量化和高可靠性设计,因此探究空间环境效应对电子器件焊点可靠性的影响迫在眉睫。本文选取60Co γ射线为辐射源,-55～125℃的热循环条件,分别研究了辐射总剂量效应、低温热循环以及辐照和热循环协同效应对AuSn20钎料焊点的显微组织和力学性能的影响规律。首先,采用回流焊工艺制备Cu/Ni/Au/AuSn20/Au/Ni/Cu钎焊接头以模拟实际应用中芯片与电路基板的连接,通过X-ray探测器、SEM和EDS等实验手段观察AuSn20焊点的钎着率和横截面显微组织。结果显示焊后接头的钎着率高,接头组织致密且界面连接紧密。基板的镀金层均已熔化,镀镍层仍然存在;上基板较厚的镀金层使得上界面形成（Au,Ni）5Sn/Ni结构,有利于更好地保护芯片;而下界面处生成（Ni,Au）3Sn2金属间化合物（IMC）层,形成AuSn20/（Ni,Au）3Sn2/Ni界面结构。采用剂量率为0.2 Gy（Si）/s的60Co γ射线辐照试验发现,AuSn20/Au/Ni/Cu焊点的基体组织未发生明显变化,钎料中的AuSn和Au5Sn相对γ射线的吸收均不明显。但辐照明显加速了镀层Ni原子往钎料中的扩散、固溶,促使界面Ni-Sn化合物的生长。1000 h后,（Au,Ni）5Sn/Ni上界面产生了光滑的（Ni,Au）3Sn2薄层;下界面的原（Ni,Au）3Sn2层继续往钎料内生长,其厚度和粗糙度显著增加,并在Ni侧生成（Ni,Au）3Sn相,可知下界面IMC的生长速率明显高于上界面。界面Ni-Sn化合物的不规则增长使得AuSn20微焊点的抗剪切力随着辐照时间延长不断下降,1000 h辐照焊点的抗剪切力较未辐照焊点（88.12 N）降低了17.5%。焊点的剪切断裂方式由钎料基体中的韧性断裂转变为钎料/IMC界面的脆性断裂。经0～200次热冲击试验后,观察到AuSn20钎焊焊点的钎料组织略微粗化,界面IMC相快速生长。200次热循环后,焊点的上界面形成了较厚的不规则（Ni,Au）3Sn2层,并在该层中发现弥散分布的（Ni,Au）3Sn颗粒相。下界面IMC层上的（Ni,Au）3Sn2相异常长大成长针状和棒状,并在（Ni,Au）3Sn2/Ni界面生成（Ni,Au）3Sn层。AuSn20/Au/Ni/Cu热循环焊点的界面化合物生长是由于界面原子间互扩散速率增大,近界面处的（Ni,Au）3Sn2颗粒相先长大并与界面IMC层合并,同时发现该焊点界面化合物的生长速率大于辐照焊点。另外,热循环焊点的Ni/Cu界面处由于金属间热膨胀系数（CTE）不同产生了热应变和残余应力,导致微裂纹和孔洞出现,Ni镀层部分剥离Cu基板降低了焊点的可靠性。因此,AuSn20焊点的抗剪切力随着热循环次数增加持续下降,200循环焊点的抗剪切力较未循环时降低了25.3%,而且Ni/Cu界面的结构缺陷成为剪切过程中新的裂纹源。辐照1000 h的AuSn20钎料焊点再经过0～200次热循环后,SEM照片显示焊点界面的IMC层仍继续生长,形成与热循环焊点相似的界面结构。但与热循环焊点相比,热循环辐照焊点的界面化合物生长速率更低。这是因为辐照焊点已形成的界面IMC层降低了界面原子间的互扩散速率,抑制化合物的快速长大。焊点的Ni/Cu界面同样出现了严重的微裂纹和孔洞缺陷,削弱了Ni镀层的结合力。因而AuSn20热循环辐照焊点的抗剪切力随着热循环次数增加不断减小,200次循环后,焊点的抗剪切力较辐照1000 h焊点降低了23.74%。焊点的剪切断裂位置也逐渐转移到界面IMC层中、IMC/Ni和Ni/Cu界面。热循环辐照焊点的抗剪切力相比热循环焊点更低,表明了辐照和热循环协同效应严重恶化了AuSn20钎料焊点的力学可靠性,但仍然保持高于原钎焊焊点强度60%以上的技术指标水平。

关键词：AuSn20钎料;⁶⁰Coγ射线辐照;低温热循环;界面组织;力学性能

学科专业：材料加工工程

摘要

abstract

第一章 绪论

1.1 选题背景

1.2 空间环境对航天电子器件的影响

1.2.1 空间辐射环境及效应

1.2.2 微电子器件的抗辐射加固技术

1.2.3 空间热循环环境

1.2.4 热循环效应对微电子器件的影响

1.3 AuSn20 钎料优点及其应用

1.3.1 AuSn20 合金的组织与性能

1.3.2 AuSn20 钎料钎焊的应用

1.3.3 AuSn20 钎焊焊点的可靠性研究现状

1.4 本课题的研究目的与研究内容

1.4.1 本课题的研究目的

1.4.2 本课题的研究内容

第二章 研究方案与试验过程

2.1 试验方案

2.2 AuSn20 钎料焊点的制备

2.2.1 Cu/AuSn20/Cu钎焊接头制备

2.2.2 AuSn20 微焊点制备

2.3 ~(60)Coγ 射线辐照试验

2.4 热循环试验

2.5 焊点的钎料基体及界面化合物的显微组织分析

2.5.1 金相显微镜分析

2.5.2 扫描电子显微镜分析(SEM)

2.5.3 X-ray探测仪分析

2.6 微焊点力学性能试验

2.6.1 微焊点的抗剪切力测试

2.6.2 微焊点断口形貌分析

第三章 ~(60)Coγ 射线辐照对AuSn20 钎料焊点组织与性能的影响

3.1 引言

3.2 辐照环境下Cu/Ni/Au/AuSn20/Au/Ni/Cu焊点显微组织的演变

3.3 γ 射线辐照对AuSn20/Au/Ni/Cu焊点界面组织的影响机制分析

3.4 γ射线辐照对AuSn20 微焊点力学性能的影响

3.5 本章小结

第四章 低温热循环对AuSn20 钎料焊点组织与性能的影响

4.1 引言

4.2 热循环后Cu/Ni/Au/AuSn20/Au/Ni/Cu钎焊焊点微观组织演变

4.3 热循环过程中AuSn20/Au/Ni/Cu焊点界面化合物生长机制分析

4.4 低温热循环对AuSn20 微焊点力学性能的影响规律

4.5 本章小结

第五章 辐照和热循环对AuSn20 钎料焊点组织与性能的影响

5.1 引言

5.2 热循环过程中Cu/Ni/Au/AuSn20/Au/Ni/Cu辐照焊点显微组织的演变

5.3 AuSn20/Au/Ni/Cu热循环辐照焊点的界面化合物生长行为

5.4 γ射线辐照与热循环耦合效应对AuSn20 微焊点力学性能的影响

5.5 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢