第四章 电子封装材料 江彬彬 （） 深圳高等研究院，银星智界2期2号楼204 目录 3.1 塑封材料/底部填充胶 （mold compound/underfill） 3.2 焊料 3.3 热界面材料 (TIM) 3.4 基板材料 第三章 电子封装材料 塑封材料 塑封（灌封）材料的作用： 1. 强化器件的整体性，提高对外来冲击、震动的抵抗力 2. 提高内部元件、线. 有利于器件小型化、轻量化； 4. 避免元件、线路直接暴露于环境中，改善器件的防水防潮性能 Interconnect wires Die Mold compound 塑封材料的种类： 环氧树脂、有机硅和聚氨酯 Die attach Substrate Solder 第三章 电子封装材料 塑封材料 为什么使用聚合物材料？ 优点 缺点 ⚫ 优秀的力学和化学性能 ⚫ 不耐高温（小于260摄氏度） ⚫ 性能可调 ⚫ 性能易受环境影响（温度、湿度等） ⚫ 容易加工成任意复杂形状 ⚫ 性能稳定性不够好 ⚫ 比金属和陶瓷重量轻 ⚫ 热膨胀系数（CTE）相比其他材料更不均匀 ⚫ 廉价 ⚫ 相比金属和陶瓷机械强度更低 聚合物材料的性能极大地依赖于材料的结构，因此控制聚合物材 料的合成过程对于提高其优点，降低缺点极为重要。 第三章 电子封装材料 热塑性聚合物 （Thermoplastics ） ⚫热塑性聚合物是可在熔点以上加工的聚合物。 ⚫聚烯烃、聚酰亚胺和液晶聚合物。 ⚫加热时软化并最终液化，冷却时硬化。 ⚫当温度升高时，二次键合力减小，当施加应力时，相邻链 的相对运动变得容易。 ⚫当温度升高到主键断裂的程度时，就会发生不可逆的降解。 ⚫典型的线性聚合物 第三章 电子封装材料 热固性聚合物（Thermosets） ⚫热固性聚合物是高度交联的聚合物，很容易在固化前熔 融处理，但不能在固化后熔融处理，转变不可逆，只能 成型一次，体型聚合物。 ⚫环氧树脂、氰酸酯、可固化聚氨酯、双马来酰亚胺和硅凝胶。 ⚫加热时变硬，随后加热时不会软化 ⚫由共价交联或网络形成的热固性材料 ⚫加热到过高温度会导致聚合物降解 ⚫不能回收 第三章 电子封装材料 热固性特性 ⚫大多数塑封材料在室温下呈颗粒状。 ⚫当受热时，颗粒熔化，化合物变成液体。 ⚫在持续的热作用下发生交联，材料凝固。 ⚫当材料从固体到液体再到固体时，其粘度以一 个U型曲线所示的方式变化。 第三章 电子封装材料 塑封材料的热性能 第三章 电子封装材料 封装工艺流程 Mold process flow Step 1: Open mold Step 2: Closed mold Step 3: Placement of pellet Temperature ~ 175 oC Step 4: Transfer-engaging Step 5: Transfer-filling the Step 6: Transfer-Filling the mold plunger runners cavities 第三章 电子封装材料 封装工艺流程 Step 7: Open mold after mold Step 8: Separating packages from compound cure runners cull 第三章 电子封装材料 热固性特性 ⚫大多数热固性塑封化合物会在很宽的温度范围内交联 ⚫为了能够将塑封材料转移到模腔中，塑封材料必须处于液体低粘度状态。 ⚫温度越高，塑封材料固化越快，因此凝胶时间和转移时间将减少。 温度、时间、粘度的关系(U型曲线) 第三章 电子封装材料 塑封工艺 第三章 电子封装材料 工艺参数对塑封的影响 Parameter Influence Clamp Pressure Low：flashes （飞 High：damaged 边） mold chase Transfer Pressure Low: incomplete High：flashes fill Transfer Time Short: void Long: incomplete fill Mold Temperature Low: incomplete High: incomplete fill fill Curing Time Short: stick on Long: output low mold 第三章 电子封装材料 工艺参数对塑封的影响 Mold Condition Mold Die • preheating • runner design • mold temperature • gate design • transfer time • surface finish • preform size • gate position • transfer pressure • spiral flow • training • preform density • die design • job knowledge • viscosity • leadframe design • gel time • package design • moisture • wire length • wire diameter Compound Operator Package Design 第三章 电子封装材料 塑封材料的关键需求参数 ◦黏度 ◦ 固化速率 ◦填料粒径大小 ◦低的热膨胀系数,高Tg ◦低吸湿性 ◦对裸片、基板和导线的附着力好 ◦极低的辐射值 ◦低成本 第三章 电子封装材料 环氧塑封材料 ⚫环氧树脂 epoxy resin (25 ~ 30%) ⚫促进剂 Accelerator （1% ） ⚫固化剂 Curing agent （6%） ⚫填料 Inert filler (~60 ~ 75%) ⚫助燃剂 Flame retardant (contains Br) （8% ） ⚫应力释放添加剂 ⚫脱模剂 ⚫着色剂 ⚫离子捕获剂 第三章 电子封装材料 环氧塑封材料 1. 环氧树脂 ⚫ 作为基体树脂将其他成分结合在一起 ⚫ 决定塑封料成型时的流动性和反应性 ⚫ 决定固化物的机械、电气、耐热性能 环氧当量是环氧树脂最重要技术指标。 环氧当量低 (官能团密度高)，交联密度高，Tg高，塑封料弯曲强度高， 耐热性及介电性能好。 若交联密度过高，材料变脆。 选择合适的基质树脂分子量、环氧当量和交联密度是制备模塑料的关键。 第三章 电子封装材料 环氧塑封材料 2. 固化剂 ⚫与环氧树脂发生化学反应形成交联结构的化合物。 ⚫固化剂与环氧树脂共同影响塑封料的流动性、热性能、机械性能、 电性能。 ⚫环氧交联剂：胺、酸酐、酚类 ⚫微电子封装常用：苯酚酚醛树脂、邻甲酚醛树脂（成型性、电学 性能、热学性能和抗潮性良好。） 第三章 电子封装材料 环氧塑封材料 3. 促进剂 ⚫提高聚合反应速度，缩短在模固化时间。 ⚫常见促进剂： ⚫胺类、咪唑、有机磷酸盐，Lewis酸及盐 ⚫重要性质：反应性增强程度，反应时间，电性能 第三章 电子封装材料 环氧塑封材料 4. 填料 使用填料的优点： ⚫提高导热系数：导热系数高于树脂基体。 ⚫降低热膨胀系数：热膨胀小于树脂基体。 ⚫机械强度和模量均提高：机械强度和模量均高于树脂基体。 ⚫降低水的吸收和扩散系数：水只在二氧化硅表面被吸收。因此，水通过填 料的扩散被完全阻断。 ⚫增加表面的耐磨性。 ⚫通常可以降低复合材料的成本。 第三章 电子封装材料 环氧塑封材料 ⚫使用填料的缺点： 增加重量，增加熔体粘度（粘度是可添加填料量的最重要限制），提高介 电常数 增加 α粒子的发射：天然二氧化硅是钍和铀的唯一重要来源，而钍和铀又 是 α粒子的来源 ⚫填料选择： 大小，机械性能，化学稳定性，导热性，抗潮性，放射性 (存储器)，磨蚀 性 (磨具寿命) 第三章 电子封装材料 环氧塑封材料 常见填料及其对塑封料特性的改进 第三章 电子封装材料 环氧塑封材料 SiO2 (硅微粉) 介电性能优异，CTE低，导热系数高，价格低 降低：CTE, 吸水率，成型收缩率，成本 提高：耐热性，机械强度，介电性能，导热率 SiO2 在塑封料中含量：60-90% ，其性能优劣影响塑封料的品 质。 SiO2 的粒径：10-25um较合适，125um 增加填充料含量，可降低CTE ，改善失配，但粘度增加，带 来流动性、成型问题，如空洞增加。 第三章 电子封装材料 环氧塑封材料 填料对热导率的影响 ⚫新一代填料-氮化铝 ⚫导热系数数据（W/mK） ◦ 熔融SiO2:1.3 ◦ 结晶SiO2:14 ◦ AlN:130~260 ◦ 聚合物：0.1~0.3 ◦ 环氧树脂：0.16 ◦ 熔融SiO2/环氧甲酚酚醛树脂：0.7 ◦ 熔融二氧化硅/联苯：0.8 ◦ 氮化铝/联苯：3.8 第三章 电子封装材料 环氧塑封材料 5. 阻燃剂 ⚫溴代环氧树脂 溴代双酚A环氧树脂，溴代酚醛环氧树脂 溴离子有锈蚀性 ⚫锑化物Sb2O3 成本高 ⚫其它阻燃剂 氯化石蜡，Al(OH)3 ，磷衍生物 使用非水溶性化合物及离子吸收剂，可控制阻燃剂的锈蚀效应 第三章 电子封装材料 环氧塑封材料 6. 应力释放添加剂 应力释放添加剂：降低热收缩应力，降低诱导和扩展在塑封料或芯 片钝化层内产生的裂纹，降低弹性模量，增加柔韧性，降低CTE。 增塑剂：降低张力系数，提高塑封料的可延展性，减少收缩，改进 粘附特性。 主要应力释放剂： 硅树脂，丙烯腈-丁二烯橡胶，聚丁烯丙烯酸盐 第三章 电子封装材料 环氧塑封材料 7. 着色剂 遮盖封装器件的设计，防止光透过。 高色素碳黑：0.5% 含有机染料的塑封料，热稳定性不及无机添剂。 光阻器件用白色塑封料。 第三章 电子封装材料 环氧塑封材料 8. 脱模剂 使固化后的产品容易地从磨具中取出。 脱模剂的选择：由模具材料和封装类型而定 • 保证模块可从磨具中脱离 • 芯片、框架材料和塑封料间有很好的粘性 可通过控制脱模剂的活性（与温度有关）实现环氧塑封料中的脱模 剂： 烃腊 (巴西棕榈蜡)、硅树脂、碳氟化合物、有机酸盐 第三章 电子封装材料 环氧塑封材料 9. 离子捕获剂 减少封装体内部金属与包封料界面处水气的导电性，从而延缓电化 学锈蚀降解过程。 电化学锈蚀条件：水、迁移离子 •吸潮性：难克服 •降低离子含量或降低离子的可迁移性 离子捕获剂：金属氧化物水合物粉末 第三章 电子封装材料 塑封材料-关注的材料特性 ⚫ 树脂粘度，f （T） ⚫ 吸湿和透气性 ⚫ 润湿和粘附特性 ⚫ 残余离子，特别是Cl-，Br- ⚫ 固化特性-速率、时间、收 ⚫ 来自填充料的软错误 缩率 ⚫ 玻璃化转变温度 ⚫ CTE- α1，α2 ⚫ 固化过程中释放的气体、挥发 ⚫ 热导率 物 ⚫ 固化后处理条件 ⚫ 储存条件-温度和相对湿度 ⚫ 尺寸稳定性、翘曲 第三章 电子封装材料 失效机制 1. 湿气侵入 2. 塑封材料的内应力 3. 塑封材料的流动性 第三章 电子封装材料 湿气侵入 ⚫湿气侵入途径： ⚫ 引线框架-密封胶接口 ⚫密封胶-填料界面 ⚫整体吸收和解吸 第三章 电子封装材料 湿气侵入途径 当湿气到达芯片表面时，在表面形成一层导电水膜，并将塑封料中的Na+、Cl-离 子也随之带入，在电位差的作为下，会加速对芯片表面铝布线的电化学腐蚀，最 终导致电路内引线开路。随着电路集成度的不断提高，铝布线越来越细，因此， 铝布线腐蚀对器件的影响就越发严重 第三章 电子封装材料 湿气侵入解决办法 ⚫塑封料要有较高的纯度，Na+、Cl离子降至最低； ⚫塑封料的吸湿性必须很低 ⚫塑封料的主要成分：环氧树脂与无机填料的结合力要高， 以阻止湿气由本体的渗入； ⚫引线框架对密封胶较好的附着力可以防止湿气 ⚫芯片表面的钝化层要尽可能地完善，其对湿气也有很好 的屏蔽作用。 第三章 电子封装材料 爆米花（Popcorn） 裂纹 累积的水分在封装体内产生蒸气压，当压力达到一定的成都，为释放 应力，在应力集中薄弱处产生裂纹，塑封体内部开始产生裂纹，引起 分层剥离和开裂现象，俗称“爆米花”效应 第三章 电子封装材料 爆米花（Popcorn） 裂纹 第三章 电子封装材料 内应力 由于塑封材料、芯片、金属框架的热膨胀系数不匹配而产生的应力 不同材料的热膨胀系数 在注模成型冷却或在器件使用环境的温差较大时，有可能导致压焊点脱 开，焊线断裂甚至包封层与框架粘接处脱离 第三章 电子封装材料 内应力 第三章 电子封装材料 流动性 注塑时模具温度在160℃-180℃，塑封料呈熔融状态，其流动性对 注模成功与否至关重要，流动性低于焊线冲击增大，焊线易被冲歪 或冲断，并易造成模具冲不满，包封层表面出现褶皱和坑洼；流动 性过高，溢料严重，当溢料过早地将模具出气孔堵塞时，空气排不 尽，包封层会出现气孔或气泡。 在塑封料组成成分中，对流动性起主要作用的是主体环氧树脂的熔 融黏度和填料二氧化硅的用量和颗粒粗细。结晶型硅粉具有高导热 性，但黏度高，比重大，流速下降。熔融型硅粉流动性好，但导热 差。因此在世纪生产中应根据封装器件性j6股份有限公司能不同选择使用，包括两 者的混合使用。 第三章 电子封装材料 底部填充胶（Underfill） Die bumps Underfill epoxy Die substrate Substrate pad Solder ball 底部填充胶 (Underfill)原本是设计给倒装芯片 (Flip Chip)以增强其可 靠性用的，因为硅材料做成的裸片的热膨胀系数远比一般基版 (PCB)材质 低很多，因此在热循环测试 (Thermal cycles)中常常會有相对位移发生， 导致机械疲劳而引起焊点脱落或断裂的问题 第三章 电子封装材料 封装中为什么选择倒装焊芯片？ Silicon/Die Package Motherboard Underfill Dec 2009 Electronic Trend Publications, Inc. 第三章 电子封装材料 41 底部填充胶的作用 第三章 电子封装材料 底部填充胶的作用 引脚应力不均匀分布 各焊球应力不均匀，周边比中间大得多 底部填充是增加芯片可靠性 底部填充是一种现实可行的方法 第三章 电子封装材料 工艺流程 第三章 电子封装材料 工艺流程 Underfill dispense 胶因毛细管现象沿箭头方向自动填充 第三章 电子封装材料 工艺流程 施胶模式 单角施胶 单边施胶 半L形施胶 全L形施胶 第三章 电子封装材料 毛细管底部填充工艺流程 毛细作用是由于液体表面张力的影响，液体通过小管或狭窄通道的 运动。毛细作用对分布在模具一侧并通过毛细作用穿过模具和基板 之间的间隙的底部填充材料很重要。 毛细管流动时间公式为： 2 2 3L 1 L t = = hcos  h 式中，t为流动时间， μ为填充胶粘度，L是底部填充长度， h是间隙 高度， γ是底部填充胶表面张力， 是接触角，为平面流系数 第三章 电子封装材料 底部填充胶的流量系数 100000 h (microns) 90000 26 80000 51 2 70000 76 3L ) m 60000 t = m ( h 50000 hcos / 2 ^ 40000 L 30000 无bumps的平行板： 20000 10000 0 0 200 400 600 800 1000 1200 t (s) 有bumps的平行板： g = gap, p = pitch 第三章 电子封装材料 底部填充胶的材料性能要求 ⚫组装过程-流程要求： ◦低粘度，可完全填充到模具下方。 ◦可优化的凝胶时间。 ◦材料中无挥发物或挥发物少。 ⚫使用条件-可靠性要求： ◦对模具和基材的附着力好。 ◦ 良好的热稳定性。 ◦可靠性测试中无圆角裂纹或其他故障。 ◦在环境和压力条件下吸湿率低。 ◦辐射发射极低，可避免软错误。 第三章 电子封装材料 底部填充胶的成分、结构、性能 材料成分 主要功能 环氧树脂 基础树脂, Tg, 应力 固化剂 固化 填料 物理性能: CTE, 模量; 韧性、流动性 偶联剂 促进基体与填料，硅与基材的粘合 增韧剂 改善韧性 添加剂 粘度调节，固化速率，表面张力，颜色 第三章 电子封装材料 底部填充胶的成分、结构、性能 性能 主要功能 粘度 可分配性和流 性 动 流 距离 可流 性 动时间/ 动 固化 力学 … 固化 程 动 (DSC, RDA ) 过 Tg (TMA) 应力和可靠性 CTE1/CTE2 应力和可靠性 模量 应力和可靠性 表面 力 湿 散 可靠性 张 润 /扩 / 剪切 粘着力 脱 试验 / 层 性 性 开裂 韧 韧 / 吸湿 解吸 力和可靠性 应 挥发物 环境，健康与安全 第三章 电子封装材料 纳米填料 ⚫结构 纳米填料降低了填料的沉降速度并使得填充 Resin rich 胶层更均匀 ⚫性能 Before 均匀的底部填充胶减少了填充胶和铜之间的 Adding nanofiller 局部CTE不匹配 ⚫封装性能 减少CTE的不匹配 提高了封装的可靠性 52 After No obvious filler settling 第三章 电子封装材料 失效机制 圆角裂纹破坏机理 第三章 电子封装材料 失效机制 附着力 Cu Bump Sidewall Die Sidewall Button Shear Schematic and Tool Shear Truncated- Tool Cone Button Shear Substrate Nanofiller for Height Stage both adhesion Stage toughness Motion 第三章 电子封装材料 失效机制 径向表面裂纹 第三章 电子封装材料 失效机制 制造过程失效——空隙 流动 固化诱导/扭曲 分散 助焊剂残留 水分 圆角空隙 注射器空隙 第三章 电子封装材料 失效机制 圆角开裂和分层 ⚫ 角焊缝开裂 ⚫ 边角裂纹 ⚫ 侧壁分层 ⚫ 半月形模具开裂 ⚫ 模具背面开裂 ⚫ ILD开裂 ⚫ 基板痕迹开裂 ⚫ 基质/UF-delam ⚫ die/ UF-delam ⚫ 凸焊/UF-delam 第三章 电子封装材料 挑战——小尺寸 100 80 m 60 m / 279 O 40 Bump-Pitch / I 250 20 202 0 200 180 P858 PX60 P1262 P1264 P1266 P1268 P1270 P1272 P1274 175 99 01 03 05 07 09 11 13 15 m µ Generation 150 Bump Die Pitch 100 50 P858 PX60 P1262 P1264 P1266 P1268 P1270 (180nm) (130nm) (90nm) (65nm) (45nm) (32nm) (22nm) Interconnect feature decrease: pitch, die/substrate gap and bump angular gap 第三章 电子封装材料 工业发展趋势 Nanocomposite Underfill Microcomposite Nanocomposite 第三章 电子封装材料 工业发展趋势 No-Flow Underfill (NUF) Process ⚫ 底部填充胶在芯片贴装之前分配到基板上。 ⚫ 芯片被放置，底部填充胶由于压缩力而填充芯片和基板之间 的间隙。 ⚫ 温度升高到焊料回流温度，以便形成焊点。 ⚫ 然后将温度降低到固化温度，在该温度下，底部填充胶完成 交联。 第三章 电子封装材料 工业发展趋势 Double-layer no-flow underfill process 第三章 电子封装材料 工业发展趋势 Molded Underfill (MUF/OMUF) 模塑底部填充 OMUF underfill + mold-compound PSIP – Inductors/Capacitors Integrated with Die Stack 第三章 电子封装材料 工业发展趋势 Vacuum Assisted UnderFill (VUF) Capillary UF P = 130 Pa Capillary pressure = 2cos h Pressure drop = ~100 KPa Pressure Drop = ~ 1 KPa Capillary Extension and Vacuum-Molded-UF 第三章 电子封装材料 小结 ⚫ 塑封材料Molding compound ⚫ 加工过程Processing ⚫ 关键需求Key requirements ⚫ 材料性能Materials functions ⚫ 失效机制Failure modes ⚫ 底部填充胶Underfill ⚫ 加工过程Processing ⚫ 关键需求Key requirements ⚫ 材料性能Materials functions ⚫ 失效机制Failure modes ⚫ 工业发展趋势Industry trend 第三章 电子封装材料 目录 3.1 塑封材料/底部填充胶 （mold compound/underfill） 3.2 焊料 3.3 热界面材料 (TIM) 3.4 基板材料 第三章 电子封装材料 3.2 焊料 微电子封装中的焊料 die Cu FLI solder substrate DSC die substrate PWB board substrate LSC SLI solder PWB board 第三章 电子封装材料 焊料的作用 机械连接 电气连接 热路径 为什么要使用焊料？ 吸收压力 加工温度低，成本低 第三章 电子封装材料 焊料基本概念 两种金属通过在熔化的焊料和两种要焊接的金属之间的界面处形成 金属间化合物（IMC）结合在一起 润湿要求 ⚫焊料融化后低表面张力 ⚫金属表面张力高 ⚫焊料和金属之间的界面能低 第三章 电子封装材料 焊料的关键参数 ⚫ 相变温度 ⚫ 电导率 ⚫ 导热系数 ⚫ 热膨胀系数，CTE ⚫ 表面张力 ⚫ 弹性模量，屈服强度，极限抗拉强度，伸长率，断裂韧性，应变 率敏感性 ⚫ 蠕变 ⚫ 疲劳 ⚫ 成本 第三章 电子封装材料 铅锡焊料 ⚫ 上千年的使用史 ⚫ 近百年来工业上的使用和电子工业的使用 ⚫ 稳定性和可靠行 常用的铅锡焊料： 63Sn/37Pb, 183摄氏度 60Sn/40Pb,183~190摄氏度 62Sn/36Pb/2Ag, 179摄氏度 第三章 电子封装材料 发展无铅焊料的必要性 环境问题 •绿色封装目前的主要关注点：无铅、无卤 ✓ 焊锡中的铅会造成重金属污染，铅会导致 人体神经中枢系统、血液循环系统和肾脏功 能的破坏。导致神经和再生系统紊乱、发育 迟缓、血色素减少并引发贫血和高血压等疾 病。 ✓ 氟氯碳化合物的使用会造成温室效应，破 坏臭氧层 ✓ 卤素型化学制剂燃烧，会释放出致癌物质 第三章 电子封装材料 发展无铅焊料的必要性 2005年6月，欧盟制定两大重要指令 ◼RoHS (Restriction on use of Hazardous Substances) ◦ 强制规定产品内限用六项危害物质- 铅 (Pb)、汞(Hg)、镉(Cd)、六价铬(Cr+6)、聚溴联苯 (PBB)、聚溴二苯醚(PBDE)。 ◦ 规定从2006年7月1日起，除部分豁免应用外，投放市场的新电子和电气设备不包含以上物质。 ◼WEEE(Waste Electrical and Electronic Equipment) ◦ 自2005年8月13日起，欧盟市场上流通的电子电气设备的生产商必须在法律意义上承担起支付 自己报废产品回收费用的责任。欧盟各成员国有义务制定自己的电子电气产品回收计划，并 建立相关配套回收设施，以方便电子电气产品的最终用户能够方便并且免费处理报废设备。 绿色封装！ 第三章 电子封装材料 无铅焊料的材料要求 ◦无毒，无环境污染 ◦资源充足 ◦熔点低，较小固液共存温区 ◦导电性，导热性好 ◦连接强度和热疲劳性好 ◦浸润性好 ◦化学稳定性好 ◦低成本 ◦与现有工艺兼容 第三章 电子封装材料 无铅焊料的材料要求 电导和 热导都 不高 有毒 第三章 电子封装材料 无铅焊料的材料要求 资源问题 第三章 电子封装材料 无铅焊料的材料要求 化学稳定性 铟：价格昂贵，易氧化腐蚀 第三章 电子封装材料 市场上典型的无铅焊料 composition Melting Comments Point oC In52/Sn48 118 低温用合金。因为铟含量高，所以昂贵。 需要注意腐蚀，接头强度和疲劳问题。 Sn42/Bi58 138 低温用合金。 应注意潜在的脆化问题和较差的热稳定性 疲劳性能。 Sn42/Bi57/Ag1 138 与Sn42/Bi58相似的特性，疲劳特性有一些改 进 In97/Ag3 143 低温用合金。因为高铟和银含量，昂贵。 应注意腐蚀、接头强度和疲劳问题。 第三章 电子封装材料 市场上典型的无铅焊料 composition Melting Comments Point oC Sn91/Zn9 199 Sn/Zn合金具有很高的腐蚀性和氧化性。 需j6股份有限公司要特殊的助焊剂配方。保质期短。 CASTIN® 217 锡银铜系合金中熔点最低、价格最低的。 可靠性以及与当前零件和工艺的兼容性已经被 Sn/Ag2.5/Cu.8/ 证明。 Sb.5 LF218™ 217- 符合JEIDA标准的低锡银铜合金建议。成本最 低的纯锡银铜合金 Sn/Ag3/Cu.5 218 第三章 电子封装材料 市场上典型的无铅焊料 composition Melting Comments Point oC Sn/Ag3.5/Cu0.5 217- 替代锡银铜合金。与LF218™相似的特性 218 金属成本略高。 TSC-4 217- 高银锡银铜合金。与CASTIN®和LF218™相似的 Sn/Ag3.8-4/Cu.5- 特性，金属成本提高，潜在的银相变问题 218 .7 Sn96.5/Ag3.5 221 可能没有足够的热可靠性或润湿性 需要比锡银铜更高的焊接温度 第三章 电子封装材料 市场上典型的无铅焊料 composition Melting Comments Point oC Sn95/Ag5 221- 仅用于高温应用的合金。银含量高，成本 高。 240 Sn99.3/Cu0.7 227 波峰焊和手工焊应用的经济有效的替代品。 注意润湿性差。 Sn97/Cu3 227- 仅用于高温应用的合金。 300 第三章 电子封装材料 市场上典型的无铅焊料 composition Melting Comments Point oC Sn97/Sb3 232- 仅用于高温应用的合金。润湿性差。比 Sn/Ag成本更低。 238 Sn95/Sb5 221- 仅用于高温应用的合金。润湿性差。比 Sn/Ag成本更低。 240 Au80/Sn20 281 主要用于将金与金的焊接。由于含金量高， 价格昂贵。 Sn/Ag25/Sb10 260- 高温芯片安装（die-attach ）。银含量高， 成本高。 300 Au88/Ge12 356 低共熔芯片贴装，成本高 第三章 电子封装材料 无铅焊料的材料要求 第三章 电子封装材料 无铅焊料的材料要求 无铅焊锡 vs 铅锡合金 铅锡合金 无铅焊锡 （37Pb 63Sn ） o o 熔点 183 C 大多数217 C 浸润性 好，焊锡表面 较差，焊锡表面张力比较高 张力低 合金化 共晶合金 非共晶合金，不能直接从固 状态 态转变为液态(或相反) 。焊 接时要求较长的高温驻留 (dwell time) 第三章 电子封装材料 无铅焊料的关键参数 Sn-Ag-Cu Sn-Ag-Cu Solder Alloy Pure Sn Sn-3.5Ag Sn-Pb (SAC405) (SAC105) Eutectic (solidus) 232 217 217 220 183 temp (C) Young’s modulus 53.3 47.0 40.2 [GPa] Poisson’s ratio ~0.3 ~0.3 ~0.3 YS [MPa] ~30 ~28 UTS [MPa] 28.0 ~50 ~45 41.0 Elongation [%] ~50 ~35 ~45 ~50 ~50 CTE [ppm/C] ~22 ~21 ~21 ~22 ~23 Thermal conductivity ~65 ~62 ~62 ~63 ~54 [K/Wm] Electrical ~12 ~11 ~11 ~11 ~14 resistivity [Wcm] Strain rate 0.08 0.05 sensitivity Creep resistance High Medium Low Fatigue resistance High Low 第三章 电子封装材料 无铅焊料的材料要求 不同种类无铅焊锡（a ）和不同SAC合金焊锡（b ）的市场占有率 第三章 电子封装材料 无铅焊料：Sn-Ag-Cu (SAC) 相图 微结构 ➢界面反应 ➢析出物 第三章 电子封装材料 无铅焊料：Sn-Ag-Cu (SAC) SAC相图 第三章 电子封装材料 无铅焊料：Sn-Ag-Cu (SAC) SAC/Cu界面 第三章 电子封装材料 无铅焊料：Sn-Ag-Cu (SAC) SAC/Cu界面 第三章 电子封装材料 无铅焊料：Sn-Ag-Cu (SAC) IMC （金属间化合物）反应总结： Die side interface ▪3Cu + Sn = Cu Sn 3 ▪6Cu + 5 Sn = Cu Sn 6 5 Bulk solder ▪6Cu + 5 Sn = Cu Sn 6 5 Package side interface ▪3 {xNi + (1-x) Cu} + 4 Sn = (Ni,Cu) Sn 3 4 ▪5 {yCu + (1-y) Ni} + 6 Sn = (Cu, Ni) Sn 6 5 ▪Ni P +Sn = Ni SnP 3 3 第三章 电子封装材料 无铅焊料：Sn-Ag-Cu (SAC) Ag Sn的形成 3 (Zeng Tu, Mat. Sci. Eng 2002) 第三章 电子封装材料 无铅焊料：Sn-Ag-Cu (SAC) SAC微结构 第三章 电子封装材料 无铅焊料：Sn-Ag-Cu (SAC) SAC合金的微结构 Ag Sn随着 Ag增加而增加 3 Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol. 33, No. 4, 2004 第三章 电子封装材料 无铅焊料：Sn-Ag-Cu (SAC) A

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