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柔性LED封装模块互连界面微观结构及演变

作　者: 钟颖
导　师: 王春青
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 柔性LED 互连界面高温无铅钎料热冲击再结晶
分类号: TN312.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

柔性LED封装模块以其应用灵活、易控制等优点具有极大的开发潜能，为解决其基板表面弯曲、散热差等可靠性问题，本文对器件与可变形镀Ni铜线之间的焊点进行了高温老化试验，分析了镀Ni铜线与钎料间的界面化合物与LED器件表面镀层及钎料量的关系，还对用于芯片连接的新型高温无铅钎料Innolot在热冲击循环条件下的显微组织演变、裂纹扩展及再结晶现象进行了详细研究。通过研究不同老化时间下铜线与钎料间界面化合物种类、厚度、拉伸性能的变化，发现虽然铜线与器件不是直接接触，器件表面镀层会严重影响该层化合物的演变。发现若镀Ni铜线与Cu/Ag焊盘连接，受焊盘中Cu的影响，钎料中Cu元素向远离器件方向偏聚，促进（Cu,Ni）₆Sn₅生成，并在老化中使原有的Ni₃Sn₄转化为（Cu,Ni）₆Sn₅，且（Cu,Ni）₆Sn₅生长速度对钎料量敏感。与Ni焊盘连接，焊接生成Ni₃Sn₄，老化中Cu仅来源于钎料，只能生成生长较慢且速度对钎料量不敏感的（Ni,Cu）₃Sn₄。若钎料可提供足够Cu源，可直接生成（Cu,Ni）₆Sn₅三元化合物，且生长速度比靠器件焊盘提供Cu源快。化合物由Ni₃Sn₄转化为（Cu,Ni）₆Sn₅和（Ni,Cu）₃Sn₄会导致拉伸性能下降，Cu-Ni-Sn三元化合物的单纯增厚不会引起严重的性能下降。利用无损检测、偏光观察、EBSD分析、断口观察等手段发现Innolot钎料（SnAg3.8Cu0.7Ni0.12Sb1.5Bi3）具备优良的抗热冲击能力。Sb、Bi起固溶强化作用，Ni与Cu、Sn反应生成（Ni,Cu）₃Sn₄起弥散强化作用。焊点形状影响应力分布，进而影响热冲击过程中的化合物粗化过程，最终影响裂纹扩展路径。Innolot钎料与普通SnAg3.8Cu0.7钎料相比，再结晶更严重，消耗能量多有助于阻止裂纹扩展。应力是Innolot钎料中的再结晶的必然条件，应力越大，再结晶越明显。再结晶晶粒取向的偏转会将原有的晶粒转变为软取向，有助于裂纹在低能量消耗的情况下沿原有方向扩展。Innolot钎料大部分发生穿晶断裂，还可以发现化合物弥散分布导致的塑性较差的韧窝。裂纹穿过的区域孪晶分布丰富，且应力状态相对较“好”时，易出现孪晶拉丝现象。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-19
  1.1 课题背景及研究目的  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-18
    1.2.1 钎料量对化合物厚度的影响  11-12
    1.2.2 镍层与钎料界面 IMC 厚度和种类的影响因素  12-13
    1.2.3 无铅高温钎料  13-14
    1.2.4 Innolot 系列钎料开发  14-15
    1.2.5 SnAgCu 断裂的影响因素  15-17
    1.2.6 温度循环下的再结晶与裂纹扩展  17-18
  1.3 本文的主要研究内容  18-19
第2章材料及试验方法  19-25
  2.1 试验材料及加速试验  19-21
  2.2 试验方法  21-25
    2.2.1 化合物成分分析及厚度测量  21
    2.2.2 拉伸性能测试  21-22
    2.2.3 超声 C 扫描检测  22
    2.2.4 偏光即 EBSD 观察  22-23
    2.2.5 断口观察  23
    2.2.6 应力应变数值模拟  23-24
    2.2.7 晶粒取向与 Schmid 因子  24-25
第3章器件镀层对镀 Ni 铜线与钎料间化合物的影响  25-40
  3.1 不同器件镀层及钎料量条件下化合物种类的演变  25-32
    3.1.1 器件镀层中含铜焊点的化合物演变  25-28
    3.1.2 器件镀层中不含铜薄焊点的化合物演变  28-29
    3.1.3 器件镀层中不含铜厚焊点的化合物演变  29-32
  3.2 器件镀层对化合物厚度及其生成激活能的影响  32-34
  3.3 化合物层种类、厚度对拉伸强度的影响  34-38
    3.3.1 器件镀层含铜焊点断口  34-36
    3.3.2 器件镀层不含铜薄焊点断口  36-37
    3.3.3 器件镀层不含铜厚焊点断口  37-38
  3.4 本章小结  38-40
第4章热冲击循环条件下 Innolot 钎料显微组织演变  40-52
  4.1 宏观断裂面积  40-41
  4.2 强化成分对显微组织及断裂路径的影响  41-45
    4.2.1 强化成分对焊后显微组织的影响  41-42
    4.2.2 强化成分对 250 次循环后显微组织及断裂路径的影响  42-43
    4.2.3 强化成分对 1500 次循环后显微组织及断裂路径的影响  43-45
  4.3 焊点形状对应力分布状态的影响  45-49
  4.4 应力分布对显微组织及裂纹扩展的影响  49-51
    4.4.1 应力集中严重时的显微组织及裂纹扩展  49-50
    4.4.2 应力集中较小时的显微组织及裂纹扩展  50-51
  4.5 本章小结  51-52
第5章热冲击循环条件下 Innolot 钎料接头的再结晶与裂纹扩展行为  52-73
  5.1 热冲击前后晶粒的偏光分析  52-53
  5.2 Innolot 焊点中再结晶及裂纹扩展的特点  53-67
    5.2.1 Innolot 钎料焊点中的孪晶现象  53-55
    5.2.2 裂纹萌生区的再结晶与裂纹扩展的相互作用  55-59
    5.2.3 无裂纹区的明显再结晶现象  59-62
    5.2.4 裂纹扩展区再结晶与裂纹扩展的特点  62-65
    5.2.5 裂纹扩展区的断口形貌  65-67
  5.3 应力状态对 Innolot 再结晶及裂纹扩展的影响  67-71
    5.3.1 高应力状态下的再结晶及裂纹  67-68
    5.3.2 高应力下的韧窝断口  68-69
    5.3.3 低应力状态下的再结晶及裂纹  69-70
    5.3.4 低应力状态下的孪晶拉丝断口  70-71
  5.4 疲劳辉纹的观察  71-72
  5.5 本章小结  72-73
结论  73-74
参考文献  74-78
攻读学位期间发表的学术论文  78-80
致谢  80

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