电子封装中焊料的润湿性
机械工程学报/980317.htm 机械工程学报 CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 1998年 第3期 No.3 JUNE 1998科技期刊 润湿性及界面反应* 任露泉 邱小明 徐德生 李建桥 (吉林工业大学工程仿生所 长春 130025) 摘要 研究了Cu基钎料在白口铸铁表面的润湿性及界面反应。白口铸铁C析出，是影响润湿性主要原因。试验结果表明，CuZnMnNi2和CuZnMnSn2有良好的润湿性能和足够的钎焊接头抗剪强度(τNib =312 MPa和τSnb =276 MPa)。钎焊温度和时间对润湿性有重要影响。超过临界温度和时间，润湿性能下降。 叙词：钎焊 润湿性 界面反应 Cu基钎料 白口铸铁 中图分类号：TG454 0 前言 通过对典型土壤动物的防粘机理和脱土规律的系统研究结果表明，非光滑表面具有减粘降阻功能，仿生非光滑犁壁在田间生产试验中表现出优异的减粘脱土效果，与传统犁壁相比，犁耕比阻降低8%～15%，拖拉机燃油消耗下降5%～10%〔1，2〕，因此，研究仿生非光滑犁壁具有重大的经济和社会效益。仿生非光滑犁壁的研究，其关键技术是非光滑单元体与基体材料的连接，也即如何实现耐磨性和脱土性都很好的白口铸铁与基体材料钢的连接。白口铸铁与钢的连接，较多采用堆焊方法〔3〕。由于焊接温度较高，犁体曲面变形较大，且难获得优化设计出规格尺寸的非光滑单元体，从而影响仿生非光滑犁壁减粘脱土效果。钎焊由于焊接温度较低，对犁体曲面不会造成大的损伤，通过预先制备非光滑单元体，是最有希望用于上述两种材料连接的一种方法。到目前为止，还未见到有关白口铸铁钎焊的报道。试验采用钎焊方法，研究了Cu基钎料在白口铸铁表面的润湿性、界面反应及其影响因素。 1 试验材料与方法 试验用材料为白口铸铁，组织为渗碳体+莱氏体，硬度56 HRC，质量分数如表所示。 表 白口铸铁的质量分数 w/% C Si Mn P S 4.12～4.270.4～1.00.5～1.2 0.24～0.580.032～0.010 试验用钎料以CuZnMn为基，经优化试验确定基础钎料熔点822 ℃～853 ℃，在保证基础钎料熔点变化不大情况下，添加Sn(0～8%),Ni(0～3.5%),Si(0～1.5%),Al(0～3%)4种合金元 file:///E|/qk/jxgcxb/980317.htm（第 1／5 页）2010-3-23 1:42:38
可靠性试验项目 项目 参考标准 检测目的 预处理PRE JESD22-A113F 模拟贴装产品在运输、贮存直到回流焊上整机受 到温度、湿度等环境变化的影响。此试验应在可 靠性试验之前进行，仅代表产品的封装等级。 湿气敏感等级试验MSL IPC/JEDEC J-STD-020 确定那些由湿气所诱发应力敏感的非气密固态 表面贴装元器件的分类, 以便对其进行正确的封 装, 储存和处理, 以防回流焊和维修时损伤元器 件。 稳态湿热THT GB/T2423.3 JESD22-A101 评定产品经长时间施加湿度应力和温度应力作 用的能力。 温度循环TCT JESD22-A104 GB/T 2423.22 评定产品封装承受极端高温和极端低温的能力， 以及极端高温和极端低温交替变化的影响。 高温试验HTST GB/T 2423.2 JESD22-A103 评定产品承受长时间高温应力作用的能力。 低温试验LTST GB/T 2423.1 JESD22-A119 评定产品承受长时间低温应力作用的能力。 高压蒸煮PCT JESD22-A102 评定产品封装的抗潮湿能力。 高速老化寿命试验(u)HAST JESD22-A110 JESD22-A118 评定非气密性封装在(无)偏置条件下的抗潮湿能 力。
回流焊Reflow JESD22-A113 评定产品在回流焊接过程中所产生之热阻力及 效应。 电耐久BURN-IN GB/T 4587 评定器件经长时间施加电应力（电压、电流）和 温度应力（产品因负载造成的温升）作用的能力。 高温反偏HTRB GB/T 4587 JESD22-A108 评定器件承受长时间电应力（电压）和温度应力 作用的能力。 耐焊接热SHT GB/T 2423.28 JESD22-B106 评定产品在其焊接时的耐热能力。 可焊性Solderability GB/T 2423.28 EIA/IPC/JEDEC J-STD-002 评定产品的可焊性能力。 锡须生长 Tin Whisker Test JESD201 JESD22-A121 评定产品承受长时间施加温湿度应力作用下锡 须生长情况。 电性测试Electrical Test GB/T 4589.1 GB/T 4587 GB/T 4586 GB/T 4023 GB/T 6571 评定产品电性能力。主要针对分立器件产品测 试。
银基钎料基本知识 银基钎料基本知识 银基钎料通常是以银或银基固溶体为主的合金。这类钎料具有优异的工艺性能，熔点不高，润湿性能及填缝性能良好，强度、塑性、导电、耐蚀等性能优异，可用来钎焊除铝、镁及其它低熔点金属外的几乎所有黑色金属和有色金属，因而得到广泛的应用。 银基钎料的种类繁多，但常用的银基钎料几乎都含有铜。为降低熔点和减少银含量，通常加入锌、镍、镉等合金元素，构成三元或多元合金。 B-Ag72Cu是在电真空器件中应用最广泛的共晶型钎料，其熔点低，结晶时没有温度间隔，钎焊工艺性能好，在铜及镍上具有良好的润湿性和流动性，导电性也很好。但此钎料的脆性大，强度低，对不锈钢、合金钢、高温合金等润湿性极差。因此，钎焊这类工件时应预先在被钎表面上镀铜或镀镍，以改善钎料的润湿铺展性能。此钎料还可用于钛及钛合金的前级钎焊。 B-Ag50Cu性能与B-Ag72Cu接近，但银含量较低，使塑性改善。但熔化温度范围增大，适宜于钎焊宽间隙接头，可用于多级钎焊时的前级钎焊。 B-Ag92Cu流动性好，强度及耐腐蚀性能比前两种有提高。多用于钎焊钛及钛合金，钛及不锈钢等。由于熔点较高，可用于分级钎焊的第一级钎焊。 B-AgMn熔点高，高温强度好，可用于钎焊400℃以下工作的不锈钢及钛合金。 B-Ag80Au是一种性能优异的耐热钎料，但由于成本太高而很少使用。 B-Ag90Pd的中温强度高，耐腐蚀性、抗氧化性、润湿性等优异，接头塑性好。B-Ag80Pd 在强度方面及对低合金钢、不锈钢及高温合金的润湿性能上得到进一步改善。但由于Pd的价格比Ag还要昂贵，因而在可以满足使用要求的前提下，应尽可能降低Pd的含量，B-Ag95Pd 就是为这一目的研制的。由于Pd的蒸气压极低，所以银钯钎料特别适合于电真空重要部件或非金属的钎焊。 B-Ag95Al是银基钎料中强度高、抗腐蚀性能及耐热性能均相当优异的钎料。主要用于钎焊400℃以下使用的受力构件。当钎焊Ti-11Cr-13V-3Al合金时，室温抗剪强度 τ≥150MPa，在400℃时的抗剪强度为τ≥100MPa。 B-Ag87Al的熔点比B-Ag95Al低，其性能也与之接近。主要用于钎焊α钛合金和α+β双相钛合金。 B-Ag94Al（Mn）是在B-Ag95Al的基础上加入了不足1％的锰(质量分数)。用这种钎料钎焊钛合金可以显著提高接头的抗腐蚀性。 以上银基钎料基本上都是二元合金类型的。在三元合金类型的银基钎料中，最为常见的是银铜锌系钎料。B-Agl0CuZn的含银量很低，价格较低。但其熔点较高，铺展性差，接头的塑性也较差，因而应用不够广泛。其主要用于钎焊铜及铜合金、钢及硬质合金等。 B-Ag25CuZn与前者相比银的质量分数提高了15％，所带来的效果是熔点明显下降，铺展性能得到了改善，钎缝也比较光洁。这种钎料常用于钎焊铜及铜合金、钢及不锈钢等。 B-Ag45CuZn是最常用的银钎料。其熔点低，具有良好的铺展性和填缝能力，钎缝表面光洁。接头的强度高，耐冲击载荷的能力也很好。B- Ag50CuZn也具有良好的铺展能力和填缝能力，接头可以承受多次冲击载荷。这种钎料常制成箔片状使用，可用于铜及其合金和钢等的钎焊，如用于带锯的钎焊。B-Ag65CuZn的含银量较高，但熔点较低，铺展性较好，钎缝光洁，接头的强度和塑性也很好。经常用于食品器皿、带锯、仪表以及波导等多种产品的钎焊。 B-Ag70CuZn的含银量更高，接头具有高强度和优良的塑性，并且导电性好。适用于铜、黄铜及银的钎焊。常用于钎焊引线及其它要求高导电性的零部件。
1-3-半导体封装件的可靠性评价方法
半导体封装件的可靠性评价方法 Lunasus 科技公司，佐土原宽 Lunasus 科技公司细川丰 本章将依据半导体封装件可靠性评价的基本考虑方法，以故障机理为基础的实验条件介绍，并根据韦布图来解说可靠性试验下的（产品）寿命推导方法。 封装件开发及材料变化过程中的可靠性评价方法 为实现半导体封装件功能和电气特性的提高，在推动多引脚化的同时，也要发展高密度封装化下的小型、薄型化。最近，搭载多个芯片的SiP（System in Package，系统级封装）和芯片尺寸（与封装尺寸）非常相近的CSP（Chip Size Package，芯片级封装）已开始量产，封装件的构造多种多样。另外，为达成封装件低成本化和环保的要求，采用规格更高的封装件材料的开发正在活跃起来。但封装件构造的复杂化和新型材料的使用不能对制造品质和可靠性造成影响。这里将对新型封装件的开发和材料改变下的可靠性评价方法进行解说。 最近的半导体封装件多数属于树脂灌封型，对半导体单体的可靠性评价包括，高温保存（或动作）实验，耐湿性实验以及温度循环实验。另外，对于有可能要进行表面装配的高密度封装器型，需考虑焊接装配过程中的热应力情况，因此焊锡耐热性实验也是不可缺少的。这些可靠性试验，是对半导体封装件在实际使用过程中所预想发生的各种故障进行短时间评价的加速性实验方法。接下来需要先确定半导
体所发生的各种故障的主要加速原因是什么后才能进行实验。例如，对于树脂封装件来讲，湿度（水分）是造成硅芯片上金属线路受到腐蚀（图1）的主要原因之一，而温度可以加快水分浸入封装件内的速度，所以高温、高湿下的实验才有效果。与此同时，在电压也是故障主因的场合，有必要进行高温、高湿下的通电实验。 如上所述，对于封装件相关的各种故障，通过对机理的解析，找出加速实验的主要因子，设定合适的可靠性实验条件，这些就是可靠性评价的基础。 针对封装件构造的可靠性试验 正如开头所述，为实现封装件的高功能、高密度化，封装件的外观形状的主流是QFP（Quad Flat Package，四面扁平封装）和BGA
无锡工艺职业技术学院电子信息工程系 毕业设计论文 半导体器件封装的可靠性研究 专业名称应用电子技术 学生姓名 学号 指导教师鲍小谷 毕业设计时间2010年2月20日~6月12日
半导体器件是经过衬底制备、外延、氧化、光刻、掺杂、封装等工序做出来的。但要保证做出的产品在正式生产后可以让顾客使用，且安全可靠、经久耐用，就必须在研究发展期间就将可靠度设计于产品质量中，因此试验的工作是不可少的。 试验是评估系统可靠度的一种方法，就是将成品或组件仿真实际使用环境或过应力的情况下予以试验，利用过程中失效之左证数据来评估可靠度。当然佐证资料越多，对所估计的可靠度信心也越大，可是人们又不希望采用大量样本来进行试验。若不做试验或做某种程度的试验，就根本不知道产品可靠的程度。 本文主要介绍了可靠性试验在半导体器件封装中是怎样使用的，从而来突出可靠性试验在封装中起着很重要的作用。 关键词：半导体器件；封装类型；可靠性；试验 Abstract Semiconductor substrate after the preparation, epitaxy, oxidation, lithography, doping, packaging and other processes done. However, to ensure that products made after the official production for customers to use, and safe, reliable, and durable, it is necessary to research and development in reliability during the design will be in product quality, and therefore the work of test is indispensable. Trial is to assess the system reliability of the method is that simulation will be finished products or components of the actual use of the environment or the circumstances have to be stress test, using the process of failure data to assess the reliability of proof. Of course, the more supporting information, the reliability of the estimate the greater the confidence, but people do not want to adopt a large number of samples tested. Do not test or do some degree of testing, simply do not know the extent of product reliability. This paper introduces the reliability test in semiconductor devices is how to use the package, and thus to highlight the reliability test in the package plays a very important role. Key words: Semiconductor devices; Package type; Reliability; Trial
如何提高锡焊料的润湿性能 In元素具有与Bi相似的表面活性作用，可降低钎料的表面张力，改善润湿性。Sn - Zn无铅钎料中加入In可以降低钎料的熔点，Sn - 9Zn - 5In和Sn - 9Zn - 10In钎料的熔点分别为188℃和178℃，接近共晶Sn-Pb钎料，同时液态钎料的表面张力降低，润湿性提高。 研究结果还显示，在Sn - 8Zn - 3Bi基础上加入的In含量为0.5％(质量分数)时，钎料表面张力降低最为明显，已接近Sn60 - Pb40钎料的水平，钎料在铜基板上的润湿力明显上升。 日本有人采用润湿平衡法测试Sn - Zn - Al焊料的润湿时间表明，焊料的润湿时间小于1.5s，润湿性能与Sn-Pb焊料相当。 Sn - 9Zn合金中加入合金化元素Cu，自由Zn会向Cu - Zn化合物转变，从而有效减少Zn的氧化。大连理工大学的谢海平等在此基础上，研究与分析添加不同Cu合金对钎料组织和力学性能影响，并通过在Cu基板上钎焊研究其润湿反应和界面组织变化。实验表明，Cu的加入减少了Zn原子在液态钎料表面的氧化，有效的降低钎料的表面张力，使钎料与Cu之间的润湿性得到显著提高，获得了较小的润湿角。但随着Cu含量的增加，合金熔点逐渐升高。 随着电子封装技术的发展，研制新型、实用的无铅焊来替代Sn - Pb焊料已经成为了近年来研究的重点。Sn - Zn系无铅焊料由于熔点接近Sn - Pb、价格低廉、无毒性、力学性能优良等特点，已经成为无铅焊料领域研究的热点。近几年来，针对合金润湿性能差、焊料容易氧化等方面进行了大量的研究，并取得了一定的进展，使得Sn - Zn焊料展现出了良好的应用价值。此外，尽管有的Sn - Zn系无铅焊料已经开始在实际中应用，但其应用的范围仍受制约。目前对于Sn - Zn 焊料的氧化、润湿机理的研究还不够深入。对此，今后研究的主要方面是通过微合金化、调整合金元素的成分配比来提高润湿性和抗氧化性能，得出合金元素对润湿性、抗氧化性的影响和作用机理。
表面活性剂的润湿性能 一、润湿功能 例子：水润湿玻璃，加入表面活性剂润湿容易；水滴在石蜡上，石蜡几乎不被润湿，加入少量表面活性剂石蜡就容易被润湿了；较厚的毛毡或棉絮放入水中，很难渗透，加入一些表面活性剂就容易浸透了。 表面活性剂具有渗透作用或润湿作用 所谓润湿是指一种流体被另一种流体从固体表面或固液界面所取代的过程。 润湿过程往往涉及三相，其中至少两相为流体。 1.润湿过程润湿作用是一个过程。润湿过程主要分为三类：沾湿、浸湿和铺展。产生的 条件不同。其能否进行和进行的程度可根据此过程热力学函数变化判断。在恒温恒压条件下可方便使用润湿过程体系自由能变化表征。 （1）沾湿主要指液-气界面和固-气界面上的气体被液体取代的过程，在此过程中消失的固-气界面的大小与其后形成的固-液界面的大小是相等的。如喷洒农药，农药附着于植物的枝叶上。 沾湿附着发生条件：△G A=γSL-γSG-γLG＜0 W A=γSG-γSL+γLG≥0 （沾湿） 式中：γSG、γSL和γLG分别为气-固、液-固和气-液界面的表面张力 （2）浸湿浸湿是指固体浸入液体的过程，原有的固气界面空气被固液取代。如洗衣时衣物泡在水中；织物染色前先用水浸泡过程 浸湿发生条件：△G i=γSL-γSG≤0 W i=γSG-γSL≥0 （W i：浸湿功） （3）铺展液体取代固体表面上的气体，固-气界面被固-液界面取代的同时液体表面能够扩展的现象。 铺展发生条件为：△G S=γSL+γLG-γSG≤0 S=γSG-γSL-γLG≥0 （S：铺展功） 一般，若液体能够在固体表面铺展，则沾湿和浸湿现象必然能够发生。 从润湿方程可以看出：固体自由能γSG越大，液体表面张力γLG越低，对润湿越
无铅焊料的选择与对策 Choice of Lead-free Solder and its Countermeasure 罗道军刘瑞槐* （中国赛宝实验室,广州，510610;*特尔佳电子有限公司,东莞523900） 摘要本文通过大量的数据信息分析了各研究机构在无铅焊料方面的研究成果，在目前流行使用 的无铅焊料的基础上，进一步研究并比较了其中的Sn-Cu系列与具有专利限制的SnAgCu系列 焊料在消费类电子产品组装的波峰焊工艺中使用的可靠性，同时研究并比较Sn-Ag系列焊料与 SnAgCu系列焊料在回流焊工艺使用的情况。结果表明，Sn-Cu共晶焊料在消费类电子产品组装 的波峰焊工艺中完全可以取代Sn-Ag-Cu系列焊料，同时满足使用要求；而同样技术成熟的Sn- Ag共晶焊料也完全可以取代SnAgCu系列焊料在回流焊工艺使用，焊点的可靠性与成本可以比 美SnAgCu焊料，而且该二元合金在使用维护以及回收利用方面具有相当的优势。因此，国内 相关企业应大力推动使用无专利限制的SnAg与SnCu共晶焊料，以改变国外专利产品在电子制 造领域的统治地位，使我国企业在无铅化电子制造的潮流中占有一席之地。 关键词：无铅焊料可靠性选择与对策SnAgCu SnAg SnCu 共晶焊料 前言 随着欧盟WEEE 与RoHS 的两个指令的实施日益临近以及国内电子产品污染防治办法的即将出台。国内电子制造业与焊料制造业的全面无铅化将越来越紧迫，在面临技术和设备升级与制造成本的巨大压力的同时，还面临具有技术优势的国外材料制造商在专利技术的限制，使得无专利的国内制造商尤其是材料供应商损失巨大的市场机会。其实，仔细研究无铅焊料的研究过程与技术细节，我们可以找到很好的突破口，即技术成熟以及可靠性数据丰富的二元共晶合金SnCu 与SnAg 分别在波峰焊工艺与回流焊工艺的使用方面与SnAgCu 焊料具有相当的竞争力，而在成本、维护以及回收再利用方面更是具有优势，并且不受专利使用的限制。 本文将通过分析已有的研究成果，分析比对SnAg、SnCu 与SnAgCu 的技术性能数据以及它们的应用情况，并且进一步通过实验研究了SnAg 与SnAgCu 在回流工艺中的性能表现。为国内企业在电子制造业中创造更多的市场机会寻找突破。 1 目前业界流行的无铅焊料使用情况
半导体封装件的可靠性评价方法 Lunasus 科技公司，佐土原宽 Lunasus 科技公司细川丰 本章将依据半导体封装件可靠性评价的基本考虑方法，以故障机理为基础的实验条件介绍，并根据韦布图来解说可靠性试验下的（产品）寿命推导方法。 封装件开发及材料变化过程中的可靠性评价方法 为实现半导体封装件功能和电气特性的提高，在推动多引脚化的同时，也要发展高密度封装化下的小型、薄型化。最近，搭载多个芯片的SiP（System in Package，系统级封装）和芯片尺寸（与封装尺寸）非常相近的CSP（Chip Size Package，芯片级封装）已开始量产，封装件的构造多种多样。另外，为达成封装件低成本化和环保的要求，采用规格更高的封装件材料的开发正在活跃起来。但封装件构造的复杂化和新型材料的使用不能对制造品质和可靠性造成影响。这里将对新型封装件的开发和材料改变下的可靠性评价方法进行解说。 最近的半导体封装件多数属于树脂灌封型，对半导体单体的可靠性评价包括，高温保存（或动作）实验，耐湿性实验以及温度循环实验。另外，对于有可能要进行表面装配的高密度封装器型，需考虑焊接装配过程中的热应力情况，因此焊锡耐热性实验也是不可缺少的。这些可靠性试验，是对半导体封装件在实际使用过程中所预想发生的各种故障进行短时间评价的加速性实验方法。接下来需要先确定半导
体所发生的各种故障的主要加速原因是什么后才能进行实验。例如，对于树脂封装件来讲，湿度（水分）是造成硅芯片上金属线路受到腐蚀（图1）的主要原因之一，而温度可以加快水分浸入封装件内的速度，所以高温、高湿下的实验才有效果。与此同时，在电压也是故障主因的场合，有必要进行高温、高湿下的通电实验。 如上所述，对于封装件相关的各种故障，通过对机理的解析，找出加速实验的主要因子，设定合适的可靠性实验条件，这些就是可靠性评价的基础。 针对封装件构造的可靠性试验 正如开头所述，为实现封装件的高功能、高密度化，封装件的外观形状的主流是QFP（Quad Flat Package，四面扁平封装）和BGA（Ball
材料表面润湿性前沿综述 润湿性是材料表面的重要特征之一。随着对自然界中自清洁现象和润湿性可控表面的深入研究,制备无污染、自清洁表面的梦想成为现实。通常将接触角小于90?的表面称为亲水表面( hydrop hilic surface) ,大于90?的表面为疏水表面(hydrop hobic surface) ,而超疏水指表面上水的表观接触角超过150?的一种特 殊表面现象。超疏水表面在国防、工农业生产和人们日常生活中有着重要的应用前景,引起了人们的普遍关注。超疏水表面已经被广泛用于天线、门窗防积雪,船、潜艇等外壳减小阻力,石油输送管道内壁、微量注射器针尖防止粘附堵塞,减少损 [1]耗,纺织品、皮革制品防水防污等。 1.自然界中的疏水现象 自然界中存在许多无污染、自清洁的动植物表面,如荷叶、水稻、芋头叶、蝴蝶、水黾脚等表面。自清洁表面可通过两种途径制备: (1) 制备超亲水表面,如利用紫外光诱导产生接触角接近0?的超亲水TiO 表面 ,这种材料已经成功运2 用于防雾、自洁的透明涂层,其机理是液滴在高能表面上铺展形成液膜,再通过液膜流动,带走表面污物而起到自洁的作用;(2) 制备超疏水表面,对动植物的研究发现,自然界中通过形成超疏水表面从而达到自洁功能的现象更为普遍,最典型的如以荷叶为代表的多种植物叶子表面(荷叶效应) 、蝴蝶等鳞翅目昆虫的翅膀以及水鸟的羽毛等。这类超疏水表面除具有疏水的化学组分外,更重要的是具有微细的表面粗糙结构。如图1a为荷叶表面的显微结构,由微米尺度的细胞和纳米 [2]尺度蜡状晶体的双层微观结构组成;图1b为芋头叶表面 ,分布了均匀的微/ 纳米结构,大小为8,10μm ,单个微凸体有许多纳米结构的堆积而成,切下表层分布了直径为20,50nm 针状结构纳米微粒,其表面水接触角和滚动角分别为 157.0??2.5?;图1c 为蝶类翅膀上的微细结构,由100μm 左右的扁平囊状物组成,
电子封装的现状及发展趋势 现代电子信息技术飞速发展，电子产品向小型化、便携化、多功能化方向发展.电子封装材料和技术使电子器件最终成为有功能的产品.现已研发出多种新型封装材料、技术和工艺.电子封装正在与电子设计和制造一起，共同推动着信息化社会的发展一?电子封装材料现状近年来，封装材料的发展一直呈现快速增长的态势.电子封装材 料用于承载电子元器件及其连接线路，并具有良好的电绝缘性.封装对芯片具有机械支撑和环境保护作用，对器件和电路的热性能和可靠性起着重要作用.理想的电子封装材料必须满足以下基本要求：1）高热导率，低介电常数、低介电损耗，有较好的高频、高功率性能；2）热膨胀系数（CTE）与Si或GaAs芯片匹配，避免芯片的热应力损坏;3）有足够的强度、刚度，对芯片起到支撑和保护的作用；4）成本尽可能低，满足大规模商业化应用的要求；5）密度尽可能小（主要指航空航天和移动通信设备）,并具有电磁屏蔽和射频屏蔽的特性。电子圭寸装材料主要包括基板、布线、框架、层间介质和密封材料. 1.1基板 高电阻率、高热导率和低介电常数是集成电路对封装用基片的最基本要求，同时还应与硅片具有良好的热匹配、易成型、高表面平整度、易金属化、易加工、低成本并具有一定的机械性能电子封装基片材料的种类很多，包括：陶瓷、环氧玻璃、金刚石、金属及金属基复合材料等. 1.1.1陶瓷
陶瓷是电子封装中常用的一种基片材料，具有较高的绝缘性能和优异的高频特性，同时线膨胀系数与电子元器件非常相近，化学性能非常稳定且热导率高随着美国、日本等发达国家相继研究并推出叠片多层陶瓷基片，陶瓷基片成为当今世界上广泛应用的几种高技术陶瓷之一目前已投人使用的高导热陶瓷基片材料有A12q,AIN,SIC和B或）等? 1.1.2环氧玻璃 环氧玻璃是进行引脚和塑料封装成本最低的一种，常用于单层、双层或多层印刷板，是一种由环氧树脂和玻璃纤维（基础材料）组成的复合材料.此种材料的力学性能良好，但导热性较差，电性能和线膨胀系数匹配一般.由于其价格低廉，因而在表面安装（SMT）中得到了广泛应用. 1.1.3金刚石 天然金刚石具有作为半导体器件封装所必需的优良的性能，如高热导率（200W八m?K）,25oC）、低介电常数（5.5）、高电阻率（1016n em）和击穿场强（1000kV/mm）.从20世纪60年代起，在微电子界利用金刚石作为半导体器件封装基片，并将金刚石作为散热材料，应用于微波雪崩二极管、GeIMPATT碰撞雪崩及渡越时间二极管）和激光器，提高了它们的输出功率.但是，受天然金刚石或高温高压下合成金刚石昂贵的价格和尺寸的限制，这种技术无法大规模推广. 1.1.4金属基复合材料
基本概念 可靠性 可靠性三要素 随机变量 随机变量的分布函数 随机变量的概率密度函数 上侧分位数 可靠度函数 失效分布函数（累积失效概率） 失效密度函数 失效率函数 可靠度，失效分布，失效密度，失效率之间相互关系 失效率单位 产品失效期分类 平均寿命 MTBF MTTF 可靠寿命 指数分布的参数及其含义 寿命服从指数分布的产品的“永远年轻”特性 威布尔分布的三个参数及其含义 正态分布的两个参数及其含义 总体（母体） 样品 子样（样本） 统计量 参数估计 点估计 区间估计 置信区间 置信度 显著性水平 极大似然估计 五种寿命试验—（n,无,数）（n,无,时）（n,有,数）（n,有,时）（n,无,数）（n,部分有,时） 置信度与区间宽度，失效数与区间宽度 最佳线性无偏估计中的最佳，线性，无偏的含义 估计量的优良性准则，其含义 加速寿命试验 加速系数 加速应力水平选取
试验样品选取 测试周期 抽样检查 批 批量的选取与质量稳定性 计数抽样，计量抽样 接收概率曲线（抽样特性曲线） 第一类误判，及其概率 第二类误判，及其概率 理想抽样特性曲线 抽样参数对抽样特性曲线的影响 二次计数抽样检验程序（图） 计数序贯抽样程序（检验图） 统计假设检验步骤 皮尔逊检验 可靠性试验种类 失效率等级 维持试验与定级试验的区别 失效率、置信度、允许失效数和总试验时间的关系平均寿命抽样检验抽样特性曲线 可靠性增长试验 杜安可靠性增长模型 累计的MTBF 当前的MTBF MTBF移动平均值方法（表中各项的含义） 各种可靠性基础试验的目的 可靠性物理 阳极氧化的应用 Al线电化学腐蚀 Ag的迁移机理及其预防措施 界限模型与耐久模型的区别 艾林模型加速系数 累积损伤模型 失效模式 失效机理 失效分析 失效分析流程 失效分析原则
塑料封装可靠性问题浅析 1、引言 塑料封装器件很容易由于多种原因而导致早期失效。这些缺陷产生的根源很多, 他们能够导致在塑封体各个部位产生一系列的失效模式和失效机理。缺陷的产生主要是由于原材料的不匹配、设计存在缺陷或者不完善的制造工艺。塑料封装器件同样也存在着非缺陷机理性失效, 比如PEM在空气中吸潮, 所吸收的潮气将会导致很多的问题出现, 包含在这一类失效中的就是所谓的磨损型失效机理。这些类型的失效在后面将会进行详细的论述。同时也将讨论避免产生缺陷的各种方法以及生产过程的优化和完善的设计。这些都是为了保证最后成品的质量和可靠性。 2、塑料封装器件的缺陷及其预防 有些缺陷很自然地归类于热机性能造成的, 而其他的缺陷通常和一些特殊的制成有关系, 比如芯片的制造、芯片的粘接、塑封、芯片的钝化、引线框架芯片基板的制造、焊丝或者后道成品包装。这些都将在下面的讨论中看到, 同时其中的某些缺陷在分类上还是相互交叉的。 2.1、热机缺陷 某些缺陷能够导致失效, 而这些缺陷都与热以及微观物质的移动有密切关系, 产生的主要原因就是环氧塑封料和不同接触界面材料的线膨胀系数不一致比如说, 当EMC固化时, 热收缩应力也随之产生这些应力将会导致巨大的拉伸和剪切应力, 作用于直接接触的芯片表面特别是在邑片的角部, 应力将会成几何级数增长, 很容易导致芯片薄膜钝化层或者芯片焊接材料以及, 芯片本身的破裂。这些应力同样也容易导致EMC和芯片/芯片基板/引线框架之间出现分层断裂以及分层将会导致电路断开、短路以及间歇性断路问题出现。同样它们也为潮气和污染源更容易进人塑封体内部提供了通路。 这些类型的缺陷可以通过以下措施来避免：在选择塑封料、引线框架、芯片焊接剂以及芯片钝化层的原材料时, 所有材料的线膨胀系数必须尽可能地相互匹配；芯片上部和下部塑封料的厚度应该尽可能地接近；尽量避免在设计和排版过程中出现边缘尖端以及尖角, 这样可以防止出现应力集中, 从而避免断裂的出现；最后, 提倡使用低应力塑封料以及低应力芯片焊接剂, 可以最大限度防止在封装的过程中出现多余应力。 2.2、芯片缺陷 芯片缺陷通常都是和半导体圆片制造以及塑料封装器件特有的缺陷（比如在应力作用下所产生的金属化分层以及钝化层破裂现象）有关系的。这里不再详细描述所有缺陷, 仅限于讨论对塑封体结构关系非常密切的缺陷以及塑封体独有的缺陷。 2.3、芯片粘接缺陷
电子封装材料典型应用 电子封装材料是用于承载电子元器件及其互连线，并具有良好电绝缘性能的基本材料，主要起机械支持、密封保护、信号传递、散失电子元件所产生的热量等作用，是高功率集成电路的重要组成部分。因此对于封装材料的性能要求有以下几点：具有良好的化学稳定性，导热性能好，热膨胀系数小，有较好的机械强度，便于加工，价格低廉，便于自动化生产等。然而，由于封装场合的多样化以及其所使用场合的差异性，原始的单一封装材料已经不能满足日益发展的集成电路的需要，进而出现了许多新型的封装材料，其中一些典型材料的种类及应用场合列举如下。 1、金属 金属材料早已开发成功并用于电子封装中，因其热导率和机械强度高、加工性能好，因此在封装行业得到了广泛的应用。表1为几种传统封装金属材料的一些基本特性。其中铝的热导率高、质量轻、价格低、易加工，是最常用的封装材料。但由于铝的线膨胀系数α 与Si的线膨胀系数(α1为4．1×10?6/K)和GaAs 1 的线膨胀系数(α1为5．8×10?6/K)相差较大，所以，器件工作时热循环所产生的较大热应力经常导致器件失效，铜材也存在类似的问题。Invar(镍铁合金)和Kovar(铁镍钴合金)系列合金具有非常低的线膨胀系数和良好的焊接性，但电阻很大，导热能力较差，只能作为小功率整流器的散热和连接材料。W和Mo具有与Si相近的线膨胀系数，且其导热性比Kovar合金好，故常用于半导体Si片的支撑材料。但由于W、Mo与Si的浸润性不好、可焊性差，常需要在表面镀上或涂覆特殊的Ag基合金或Ni，从而增加了工序，使材料可靠性变差，提高了成本，增加了污染。此外，W，Mo，Cu的密度较大，不宜作航空、航天材料；而且w，Mo价格昂贵，生产成本高，不适合大量使用。
东南大学材料科学与工程 实验报告 学生姓名XXXXX 班级学号XXXXX 实验日2013.12.17 批改教师 课程名称材料性能测试（1）批改日期 实验名称焊料合金的金属润湿性能分析实验报告成绩 小组成员XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX 一、实验目的 1、通过对焊料合金进行润湿性能的实验分析，了解金属熔体在固态金属表面的润湿原理，掌握铺 展性测试方法。 2、通过不同的铺展实验，了解影响合金润湿性的因素。 二、实验原理及方法 1、润湿性的表征 将夜体制与固体表面上，液相表面与固相表面的接触界面处，形成相对的面间角，称之为接触角，如图1所示。接触角θ定义为:在固、液、气三相交界处，气液相界面与固液相界面之间的夹角。 图中所示为各项界面的剖面图，接触角以相界面切线的夹角表示。θ=1时，为完全润湿；当0<θ<π/2时，呈一般润湿；π/2<θ<π时为不润湿状态。 在没有界面化学反应的条件下其平衡形状取决于固体表面能，液体表面能以及固液界面能孩子之间的平衡关系。当系统达到平衡时，总界面能最小。接触角θ与界面能的关系，可通过热力学中自由
能最小原理得到。Young 和Dupre 用数学表达式建立了接触角与界面能之间的关系公式： 0cos =+-θγγ γlv sv sl （1） γsl 为固液界面能； γ sv 为固/气界面能，及固体自由表面的表面能； γ lv 为液/气界面能，即液体表面能； 即 γ γγθlv sl sv -=cos （2） 由于物质表面有自动收缩以减小体系能量的趋势，这种趋势可看作表面（或界面）分子相互吸引的结果，因此系统达到平衡也可以看作表面（或界面）张力相互作用达到力学平衡。且表面能与表面张力的量纲相同，数值相等，因此接触角与各种表（界）面张力的关系也可以采用Young-Dupre 公式表示: σ σσθlv sl sv -=cos (3) 2、铺展性测试方法 铺展法是基底材料（纯铜板）放置好焊料试样和助焊剂，加热一段时间使其熔化，测量得到焊料的铺展面积或铺展率，以此评价焊料的润湿性。日本行业标准JIS-Z3198-3根据焊料铺展且凝固后形成的焊点形状，通过计算铺展系数 S R 来衡量焊料的润湿性能。 %100?-= D H D S R (2-4) 式中： S R 为铺展率 H 为铺展后焊料的高度（mm ）； D 为将试验所用焊料看作球体时的直径（mm ）； 焊料在基底材料上的润湿性越好，铺展后的面积越大，而铺展后焊料的高度H 就越小。由上式可以看出，H 减小，铺展率S R 增大。 3、实验设备及材料 （1）实验材料：将浇注成一定形状的焊料合金Sn-42Bi-3Zn 用锯条锯成较为均匀的粉末状，然后取0.3g 粉末在装有松香的坩埚里融成小球； （2）实验设备：创美恒温预热平台（CM198）
材料表面润湿性及在材料工程中的意义 润湿性是材料表面的重要特性之一，通过静态接触角来表征，影响润湿性的因素主要是材料表面的化学组成和微观结构，主要通过表面修饰和表面微造型来改变材料表面润湿性。润湿性已经直接应用到了生产和生活中，构建超疏水表面和润湿性智能可控表面是现阶段的研究热点，对于建筑、涂饰、生物医学等领域都有重要的意义。 润湿是自然界中最常见的现象之一，如水滴在玻璃上的铺展，雨滴对泥土的浸润等等。润湿性是材料表面的重要特性之一，并已经成功运用到人类生活的各个方面，例如润滑、粘接、泡沫、防水等。近年来，随着微纳米技术的飞速发展以及仿生学研究的兴起，对于固体表面润湿性的研究越来越引起了人们的重视，具有超疏水表面的金属材料具有自清洁作用，从而提高其抗污染、防腐蚀的能力;而在农药喷雾、机械润滑等方面却又要求液体具有良好的亲水性，所以对于材料表面润湿性的研究在材料工程中具有重要的意义。为了调控材料表面的润湿性，人们通过接枝、涂层、腐蚀等众多方法从化学组成和微观结构两个方面对材料进行了改性，并取得了良好的结果。 1、润湿性 润湿是指液体与固体接触，使固体表面能下降的现象，常见的润湿现象是固体表面上的气体被液体取代的过程。例如在水干净的玻璃板上铺展，形成了新的固/液界面，取代原有的固/气界面，这个过程的完成与固体和液体的表面性质以及固液分子的相互作用密切相关[1]。 润湿作用实际上涉及气、液、固三相界面，在三相交界处自固-液界面经过液体内部到气-液界面的夹角叫接触角，以θ表示，通常通过Young方程计算得到，该方程是研究液-固润湿作用的基础。一般来讲，接触角θ的大小是判定润湿性好坏的判据。若θ=0，液体完全润湿固体表面，液体在固体表面铺展;0<θ<90°，液体可润湿固体，且θ越小，润湿性越好;90°<θ<180°，液体不能润湿固体;θ=180°，完全不润湿，液体在固体表面凝聚成小球。 这是理想表面的情况，并且也没有考虑到重力的影响，然而对于实际表面，多数都是粗糙和不均匀的，还有表面污染的情况，影响接触角的因素变得复杂。可分为材料表面本身的影响和外界环境的因素，而材料组成和结构的因素处于主导地位。 2、润湿性的影响因素 材料表面的润湿性由表面原子或原子团的性质和密堆积方式所决定，它与内部原子或分子的性质及排列无关。有研究表明，材料表面的润湿性受两方面因素支配：化学组成和微观结构。 化学组成对润湿性的影响本质上是表面能对润湿性的影响。通过共价键、离子键或金属键等较强作用结合的固体，它们具有高能表面，通过范德瓦尔斯力或(氢键)结合的分子固体，具有低的表面能。而固体的表面能越大，通常越容易被液体润湿，反之亦然，所以无机固体
电子封装中的可靠性问题 电子器件是一个非常复杂的系统，其封装过程的缺陷和失效也是非常复杂的。因此，研究封装缺陷和失效需要对封装过程有一个系统性的了解，这样才能从多个角度去分析缺陷产生的原因。 封装缺陷与失效的研究方法论 封装的失效机理可以分为两类：过应力和磨损。过应力失效往往是瞬时的、灾难性的；磨损失效是长期的累积损坏，往往首先表示为性能退化，接着才是器件失效。失效的负载类型又可以分为机械、热、电气、辐射和化学负载等。 影响封装缺陷和失效的因素是多种多样的，材料成分和属性、封装设计、环境条件和工艺参数等都会有所影响。确定影响因素和预防封装缺陷和失效的基本前提。影响因素可以通过试验或者模拟仿真的方法来确定，一般多采用物理模型法和数值参数法。对于更复杂的缺陷和失效机理，常常采用试差法确定关键的影响因素，但是这个方法需要较长的试验时间和设备修正，效率低、花费高。 在分析失效机理的过程中，采用鱼骨图（因果图）展示影响因素是行业通用的方法。鱼骨图可以说明复杂的原因及影响因素和封装缺陷之间的关系，也可以区分多种原因并将其分门别类。生产应用中，有一类鱼骨图被称为6Ms：从机器、方法、材料、量度、人力和自然力等六个维度分析影响因素。
这一张图所示的是展示塑封芯片分层原因的鱼骨图，从设计、工艺、环境和材料四个方面进行了分析。通过鱼骨图，清晰地展现了所有的影响因素，为失效分析奠定了良好基础。 引发失效的负载类型 如上一节所述，封装的负载类型可以分为机械、热、电气、辐射和化学负载。 失效机理的分类 机械载荷：包括物理冲击、振动、填充颗粒在硅芯片上施加的应力（如收缩应力）和惯性力（如宇宙飞船的巨大加速度）等。材料对这些载荷的响应可能表现为弹性形变、塑性形变、翘曲、脆性或柔性断裂、界面分层、疲劳裂缝产生和扩展、蠕变以及蠕变开裂等等。 热载荷：包括芯片黏结剂固化时的高温、引线键合前的预加热、成型工艺、后固化、邻近元器件的再加工、浸焊、气相焊接和回流焊接等等。外部热载荷会使材料因热膨胀而发生尺寸变化，同时也会改变蠕变速率等物理属性。如发生热膨胀系数失配（CTE失配）进而引发局部应力，并最终导致封装结构失效。过大的热载荷甚至可能会导致器件内易燃材料发生燃烧。 电载荷：包括突然的电冲击、电压不稳或电流传输时突然的振荡（如接地不良）而引起的电流波动、静电放电、过电应力等。这些外部电载荷可能导致介质击穿、电压表面击穿、电能的热损耗或电迁移。也可能增加电解腐蚀、树枝状结晶生长，引起漏电流、热致退化等。 化学载荷：包括化学使用环境导致的腐蚀、氧化和离子表面枝晶生长。由于湿气能通过塑封料渗透，因此在潮湿环境下湿气是影响塑封器件的主要问题。被
瓷封焊料的工艺性对真空灭弧室封接质量的影响 侯曙波郭莉 ( 陕西宝光真空电器股份有限公司，宝鸡721006) [摘要]本文针对一次封排真空灭孤室在生产过程中出现的一次批量较大的慢漏气现象，借助电镜和俄歇能谱现代分析手段，对漏气的真空灭弧室封接截面处进行微观的形貌、成分、结构分析以及对使用不同的瓷封焊料的工艺性能、质量性能进行对比，从钎焊的工艺及金属凝固原理分析研究，得出了目前一次封排工艺中，陶瓷真空灭弧室封接截面的形貌分布特点，慢漏气灭弧室的特征及造成该次慢漏气的主要原因，以及瓷封焊料的工艺性能对灭弧室质量的影响。 [关键词]漏气镀镍层富银带渗透润湿 一、问题的提出 我公司在生产一次真空灭弧室时,在封排后曾出现过加压后批量慢漏气的现象。当时我们立即查找原因,对漏气的灭弧室进行检漏，对其陶瓷封接处进行电镜分析，对瓷封的焊料进行表面清洁分析。采取对一次封排炉进行彻底清洁及空烧再生处理，在工艺上调整一次封排工艺中的升温速率、保温时间、充氮温度，更换不同批次及厂家的金属化瓷件、均压封接环和触头材料等解决措施，但均未从根本上解决慢漏问题。在我们进一步对不同产地的金属化瓷件、陶瓷金属封接处进行形貌分析，优化工艺，甚至改进封接结构的同时，在生产过程中我们发现所使用的瓷封焊料有局部发脆及局部起层现象,经烧氢退火后有的出现气泡。在其它任何条件不变的情况下，更换焊料进行试验，经过批量投料试验，该系列的灭弧室成品率明显上升,达95%以上。批量漏气问题得到了解决，生产恢复正常。 为了验证焊料的质量问题是造成此次产品漏气的主要原因，我们做了大量的分析工作，从陶瓷金属封接截面形貌的微观分析，对不同的瓷封焊料的工艺性能、质量性能进行对比，从钎焊的工艺及金属凝固原理分析研究，得出了目前在一次封排工艺中，陶瓷真空灭弧室封接截面的形貌分布特点，慢漏气灭弧室的特征及主要原因，以及瓷封焊料的工艺性能对灭弧室质量的影响。 二、陶瓷金属封接截面的微观分析 将国内外不同厂家生产的金属化瓷件与用国产焊料HlAguCu28加工的灭弧窒的封接处进行取样。用电镜分析了26个试样的封接处截面形貌及成分，通过比较分析研究，得到以下相关结果。 1.陶瓷金属封接截面的形貌分布 从电镜分析中，我们可以看出，陶瓷金属封接截面，从95瓷到焊缝中央有非常明显的几个区域，经过电镜能谱EDS分析鉴别，它们依次为95氧化铝瓷--金属化Mo-Mn层--富Ag带区--镍和银铜焊料混合区--银铜焊料区。(见图1) 陶瓷金属化上的镀镍层不再以单独形式出现，且出现了富银带的现象。