摘要
近年来，Sn-Ag-Cu（SAC）系无铅合金因具有较低的共晶温度及良好的可焊性而被广泛运用于封装行业。高银SAC无铅焊料虽然具有较好的润湿性和抗氧化性，但使用成本高，接头脆性大，抗跌落性差。然而，降低Ag含量又会使焊接温度增加，热可靠性变差。所以，在不同的服役环境下，选择一种适用性强，性能优良，可靠性好，并且价格实惠的无铅焊料变得尤为重要。 随着大功率器件的逐步推广和应用，其封装体内的热流密度越来越大，这就要求起连接作用的微焊点具有较好的热学及抗热疲劳性能。此外，暂无相关设备能模拟大功率器件在服役环境中承受高频率，急剧的温度变化带来的热影响，因此，本文采用不同Ag含量（Sn-0.7Cu,Sn-0.3Ag-0.7Cu，Sn-1.0Ag-0.5Cu，Sn-3.0Ag-0.5Cu）的SAC无铅焊料制备了无铅BGA锡球，SAC/Cu凸点及Cu/SAC/Cu焊点，研究了在快速热疲劳下，Ag含量的变化对SAC无铅锡球及凸点内部组织演变及内外裂纹扩展规律、凸点界面金属间化合物（IMCs）演变及力学性能、三明治结构焊点内部裂纹扩展规律及不同约束条件下的裂纹扩展的影响。得到主要结论如下： （1）四种银含量的BGA锡球均在650周期时表面发生开裂，即表面裂纹的萌芽期650周期左右；随着热疲劳周期数的增加，锡球表面裂纹数量增加，主裂纹逐渐变深变宽，并出现分支裂纹，次裂纹逐渐发展成主裂纹，裂纹之间相互扩展，最后呈X型网状分布；随着Ag含量的增加，锡球表面裂纹的数量及尺寸减小，开裂程度减小，扩展速率减慢，SAC305锡球表面抗热疲劳开裂性能更好。锡球内部裂纹主要集中在靠近热源位置及锡球的左（右）角落附近；在低疲劳周期，内部裂纹的数量及尺寸随周期数的增加而增加，3500周期后内部裂纹数量及尺寸有减小的趋势；随着Ag含量的增加，低疲劳周期时锡球内部裂纹的数量及尺寸减小，热疲劳末期内部裂纹的数量增加、开裂程度变大。 （2）随着快速热疲劳周期数的增加，SAC/Cu凸点表面裂纹的数量及尺寸增加，在3500周期后增速变缓，而表面裂纹主要集中在曲率较大的下侧面；随着Ag含量的增加，凸点表面裂纹扩展速率减小；与锡球表面裂纹相比，同周期下相同焊料成分的凸点表面裂纹开裂程度更小，表面裂纹萌生的孕育期更长，扩展速率更小。随着快速热疲劳周期的增加，内部裂纹主要集中在凸点底部的拐角处，同时随机分布在凸点的焊料内部；随着热疲劳周期增加，开裂路径由焊料/IMC界面附近的焊料内部逐渐向界面层转移；在同一周期下，随着Ag含量的增加，凸点的界面裂纹宽度呈先减小后增加的趋势，即SAC105/Cu凸点界面裂纹的开裂程度最小；与锡球内部裂纹和Cu/SAC/Cu焊点的内部裂纹相比，凸点的内部裂纹萌芽在800-900周期之间，锡球内部裂纹的萌芽在1000-1500周期之间，Cu/SAC/Cu焊点的内部裂纹萌芽期在600-700周期之间。 （3）随着热疲劳周期的增加，SAC/Cu凸点界面IMC厚度增加并由锯齿状向平坦状转变，最后趋于平缓；IMC生长速率呈现先增加再趋于平缓再增加的趋势，在热疲劳末期，IMC最大厚度也仅在3μm左右，IMC主要成分仍然是Cu6Sn5；随着Ag含量的减少，界面IMC平缓程度增大，最后呈平坦状；其中热疲劳中期（2500周期-3500周期），所有凸点界面IMC厚度增长率为负值或变化不大。在热疲劳初期，凸点的剪切强度下降率较大，力学性能急剧下降，而后下降率有所减小，凸点的力学性能极不稳定（离散）；在热疲劳末期，SAC305/Cu凸点界面结合强度下降幅度最大，为63.2%；Sn0.7Cu/Cu凸点界面结合强度下降幅度次之，为61.89%；SAC105/Cu凸点剪切强度下降幅度为59.08%；SAC0307/Cu凸点界面结合强度下降幅度最小，为46.26%，故SAC0307/Cu在快速热疲劳下具有更好的抗剪切性能。
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