无铅焊点热疲劳再结晶微观机理研究

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1、中文图书分类号：TG405密级：公开UDC：620学校代码：10005博士学位论文DOCTORALDISSERTATION论文题目：无铅焊点热疲劳再结晶微观机理研究论文作者：谭士海学科：材料科学与工程指导教师：郭福教授论文提交日期:2018年10月UDC：620学校代码：10005中文图书分类号：TG405学号：B201409005密级：公开北京工业大学工学博士学位论文题目：无铅互连焊点热疲劳再结晶微观机理研究英文题目：STUDYONTHEMECHANISMOFRECRYSTALLIZATIONINTHE

2、LEADFREESOLDERJOINTSDURINGTHERMALFATIGUE论文作者：谭士海学科专业：材料科学与工程研究方向：先进连接材料与技术申请学位：工学博士指导教师：郭福教授所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2018年10月授予学位单位：北京工业大学独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我

3、一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：年月日关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要摘要随着信息时代和人工智能日新月异的发展，以及人们对新一代产品功能更高层次的要求，使得电子封装不断朝着小型化、轻型化和多能功能化方

4、向发展。而焊点作为封装体中重要的机械连接和信号传输结构，是影响整个电子封装系统乃至整个设备可靠性的重要环节之一。通常情况下，在服役过程中，随着焊点尺寸的不断减小，使得焊点产生的焦耳热逐渐增加。并随着设备的频繁开关以及各元器件的服役环境不稳定等因素，焊点将长期服役于热疲劳状态。经研究表明，在热疲劳状态下，焊点可通过亚晶旋转的连续再结晶机制在其内部产生再结晶，并使焊点的再结晶区域组织弱化，且裂纹易于在再结晶晶粒间萌生并扩展，甚至贯穿整个焊点形成沿晶断裂而使焊点失效。然而，针对无铅焊点热疲劳再结晶的研究并没有指

5、出晶体取向演变与裂纹萌生扩展之间的关系，也没有明确说明无铅焊点发生热疲劳再结晶时亚晶旋转的具体方式，甚至在无铅焊点热疲劳再结晶机理的研究中，没有清晰地阐述亚晶旋转中亚晶的形成过程以及再结晶晶粒细化的原因。基于以上问题，针对市场以及工业上应用最多的Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料为研究对象，加之以中空式陶瓷球栅阵列的封装结构，开展了热疲劳条件下无铅焊点再结晶微观机理的研究。首先通过准原位SEM显微组织观察和EBSD观察相结合的方法，阐述了无铅焊点热疲劳过程中裂纹萌生扩展与晶体取向演变之间的关系。其次通过准原

6、位EBSD观察，揭示了热疲劳条件下无铅焊点再结晶初期的亚晶旋转行为，并建立了亚晶旋转行为与位错滑移之间的关系。最后通过HRTEM观察阐述了无铅焊点热疲劳再结晶位错增殖和晶粒细化的微观过程。通过以上研究，为进一步提高无铅焊点的热疲劳可靠性奠定了理论基础。通过研究发现，Sn基无铅焊点在热疲劳过程中，由于BGA封装中芯片的刚度远大于PCB而使芯片侧的焊点内易于产生塑性变形和局部再结晶，成为裂纹萌生和扩展的主要区域。在热疲劳过程中，当重熔状态的晶体取向演变为小角度取向差时裂纹可以在焊点内萌生并扩展；且裂纹萌生时晶

7、体取向的演变并未因为裂纹的产生而终止，即热疲劳过程中裂纹的萌生与扩展和亚晶旋转机制控制的取向演变过程是同时进行的。结合微观表征手段与滑移迹线分析法，阐述了Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点热疲劳再结晶初期的亚晶旋转机制。相同亚晶热疲劳过程中受同一激活的滑移系影响而导致以相同的旋转方式旋转，而不同亚晶因受力环境不同导致以不同旋转方式旋I北京工业大学工学博士学位论文转。本课题提出了一种确定滑移系的方法，首先通过亚晶旋转行为确定了无铅焊点在热疲劳过程中可能开动的滑移系族。其次根据滑移迹线分析方法，确定可能开动的滑

8、移系，最后对以上获得的滑移系取得交集以确定热疲劳过程中开动的滑移系，且以此方法建立了Sn基无铅焊点热疲劳条件下亚晶旋转和滑移系之间的关系。热疲劳过程中，亚晶是通过位错不断增殖和塞积形成小角度晶界而形成的。通过采用HRTEM观察，观察到了无铅焊点内的位错形态，主要是以大量位错团聚成点状缺陷的形式存在。通过HRTEM观察和采用KAM法详细表征了无铅焊点热疲劳过程中位错密度的演变规律，结果表明回复区的位错密度远高于未再结晶区和再结晶