电迁移促进Cu/Sn-58Bi/Cu焊点阳极界面Bi层形成的机理分析

研究了Cu/Sn-58Bi/Cu对接接头焊点在电流密度为5×103～1.2×104A/cm2条件下钎料基体中阳极界面Bi层的形成机理.电迁移过程中,Bi元素为主要的扩散迁移元素,在电迁移力的作用下由阴极向阳极进行迁移.由于Bi原子的扩散迁移速度比Sn原子要快,促使Bi原子首先到达阳极界面.大量的Bi原子聚集在阳极界面时,形成了压应力,迫使Sn原子向阴极进行迁移,于是在阳极界面处形成了连续的Bi层.阴极处由于金属原子的离去,形成了拉应力,导致了空洞和裂纹在界面处的形成.Bi层的形态主要分为平坦的Bi层和带有凹槽的Bi层.Bi原子进行扩散迁移的通道有三种:Bi晶界、Sn晶界和Sn/Bi界面.随着电流密度和通电时间的增加,Bi层的厚度逐渐增加.电迁移力和焦耳热的产生成为Bi原子扩散迁移的主要驱动力.     

Cu/Sn-58Bi/Ni焊点液-固电迁移下Cu和Ni的交互作用

采用浸焊方法制备Cu/Sn-58Bi/Ni线性焊点,研究5×103 A/cm2、170℃条件下液-固电迁移对Cu/Sn-58Bi/Ni线性焊点Cu、Ni交互作用以及界面反应的影响。无论电流方向如何,在液-固电迁移过程中焊点均表现为"极性效应",即阳极界面金属间化合物(IMC)持续生长变厚,且一直厚于阴极界面的IMC。电迁移显著加快了Cu、Ni原子的交互作用。当电子由Ni流向Cu时,在化学势梯度和电子风力的耦合作用下,Ni原子扩散至阳极Cu侧参与界面反应生成(Cu,Ni)6Sn5类型IMC,同时一定量的Cu原子能够逆电子风扩散到Ni侧,参与界面反应生成(Cu,Ni)6Sn5类型IMC;当电子由Cu流向Ni时,大量的Cu原子扩散至Ni侧,并参与界面反应生成(Cu,Ni)6Sn5类型IMC,然而,Ni原子在逆电子风条件下无法扩散至Cu侧,从而使阴极Cu侧界面始终为Cu6Sn5类型IMC。此外,无论电流方向如何,焊点内都没有出现Bi的聚集。     

Cu/Sn-52In/Cu微焊点液-固电迁移行为研究

采用同步辐射实时成像技术对比研究了Cu/Sn-52In/Cu微焊点在120和180℃,2.0×10~4A/cm~2条件下液-固电迁移过程中In、Sn和Cu原子的扩散迁移行为及其对界面反应的影响。由于没有背应力,液-固电迁移条件下Sn-52In焊点中In原子的有效电荷数Z*为负值是其定向扩散迁移至阳极的物理本质,这与Sn-52In焊点固-固电迁移条件下背应力驱使In原子迁移至阴极的机理不同。基于液态金属焓随温度的变化关系,修正了计算液态金属Z*的理论模型,计算获得In原子在120和180℃下的Z*分别为-2.30和-1.14,为电迁移方向提供了判断依据。液-固电迁移过程中In和Cu原子同时由阴极扩散至阳极并参与界面反应使得界面金属间化合物(intermetallic compounds,IMC)生长表现为"极性效应",即阳极界面IMC持续生长变厚,并且厚于阴极界面IMC,温度越高,界面IMC的"极性效应"越显著。液-固电迁移过程中阴极Cu基体的溶解与时间呈抛物线关系,温度越高,阴极Cu的溶解速率越快。     

Cu/Sn-58Bi/Cu焊点在电迁移过程中晶须和小丘的生长

利用SEM和EDS研究了Cu/Sn--58Bi/Cu焊点在电流密度为5×10³ A/cm², 80℃条件下晶须和小丘的生长. 通电540 h后, 在焊点阴极界面区出现了钎料损耗, 同时形成了晶须, 而在阳极Cu基板的钎料薄膜上形成了大量弯曲状晶须和块状小丘. EDS检测表明, 这些 晶须和小丘为Sn和Bi的混合物. 通电630 h后, 阳极上的晶须和小丘数量明显增多, 原来形成晶须的尺寸和形状没有变化, 阴极界面处 形成Cu₆Sn₅金属间化合物. 上述现象表明: 电迁移引发了金属原子的扩散迁移, 从而在阳极Cu基板上形成了一层钎料薄膜. 钎料薄膜中金属间化合物的形成导致压应力的产生, 促使晶须和小丘生长, 而阴极钎料损耗区域内晶须的形成与Joule热聚集有关.     

Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点电迁移过程中界面应力演变的研究

应用X射线衍射技术原位测量分析了Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点在电流密度为4×103A/cm2的作用下阴极和阳极界面的应力演变。结果表明:焊点阴极和阳极界面的应力演变非常复杂,大致分为4个阶段。第一个阶段,由于金属热膨胀效应促使焊点界面的压应力开始升高;第二个阶段,应力松弛的影响使得压应力开始降低;第三个阶段,电迁移的作用使得阳极界面压应力增加而阴极界面由压应力向拉应力转变;第四个阶段,阳极处晶须和小丘的形成释放了压应力,阴极处的拉应力继续增加。试样抛光后发现,在焊点阳极界面形成了一层厚度均匀的Cu6Sn5金属间化合物。     

电流作用下Cu/Sn-15Bi/Cu焊点的组织演变

对Cu/Sn-15Bi/Cu焊点在150℃下的电迁移组织演变进行了研究. 结果表明,焊点阳极侧出现了近共晶相的偏聚,近共晶相厚度随电迁移时间的延长而逐渐增加;受“电子风”力的影响,钎料中Cu6Sn5金属间化合物逐渐向阳极侧偏聚,此外,由于阴极侧Cu6Sn5界面金属间化合物的脱落,钎料中的Cu6Sn5金属间化合物体积分数逐渐增加;焊点阴极侧界面金属间化合物厚度随电迁移时间延长逐渐增加,阳极侧界面金属间化合物厚度随电迁移时间延长先增加,后降低,当电迁移时间超过5 h后,界面金属间化合物厚度迅速增加.     

电迁移引发Cu/SnBi/Cu焊点组织形貌的演变

主要研究电流密度为5×103 A/cm2,室温和高温(100 ℃)条件下共晶SnBi焊点的电迁移特性.结果表明:室温条件通电465 h后,阳极界面处出现Bi的挤出,阴极界面处出现裂纹;而在高温条件下通电115 h后,组织形貌发生了很大的变化.高温加速了阴极钎料的损耗,导致电流密度在局部区域高度集中,从而产生更多的焦耳热,最终引发焊点的熔化.熔融状态下Sn原子与Cu反应,在基体形成大量块状的Cu6Sn5金属间化合物,严重降低焊点的可靠性.     

非对称结构Cu/Sn-58Bi/Cu焊点中电迁移致组织演变及损伤(英文)

采用原位SEM观察、FIB微区分析和有限元(FE)模拟研究了非对称结构Cu/Sn-58Bi/Cu微焊点中电迁移引起的组织演变及其损伤。结果表明,非对称结构微焊点中富Bi相偏聚和微裂纹等电迁移现象远比对称焊点中严重;FIB-SEM微观分析结果显示非对称焊点中沿电流方向上各个微区内电阻差异是导致焊点截面上电流非均匀分布和严重电迁移问题的关键因素,理论分析和模拟结果均表明电流拥挤容易发生在焊点内微区电阻较小的位置。     

电迁移对Ni/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点界面反应的影响

研究了温度为150℃,电流密度为5.0×10³A/cm²的条件下电迁移对Ni/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点界面反应的影响.回流焊后在Sn3.0Ag0.5Cu/Ni和Sn3.0Ag0.5Cu/Cu的界面上均形成了（Cu,Ni）₆Sn₅型化合物.时效过程中界面化合物随时效时间增加而增厚,时效800 h后两端的化合物并没有发生转变,仍为（Cu,Ni）₆Sn₅型.电流方向对Cu基板的消耗起着决定作用.当电子从基板端流向芯片端时,电流导致基板端Cu焊盘发生局部快速溶解,并导致裂纹在Sn3.0Ag0.5Cu/（Cu,Ni）₆Sn₅界面产生,溶解到钎料中的Cu原子在钎料中沿着电子运动的方向向阳极扩散,并与钎料中的Sn原子发生反应生成大量的Cu₆Sn₅化合物颗粒.当电子从芯片端流向基板端时,芯片端Ni UBM层没有发生明显的溶解,在靠近阳极界面处的钎料中有少量的Cu₆Sn₅化合物颗粒生成,电迁移800 h后焊点仍保持完好.电迁移过程中无论电子的运动方向如何,均促进了阳极界面处（Cu,Ni）₆Sn₅的生长,阳极界面IMC厚度明显大于阴极界面IMC的厚度.与Ni相比,当Cu作为阴极时焊点更容易在电迁移作用下失效.     

微焊点Cu/SAC305/Cu固-液界面反应及电迁移行为

研究了电迁移过程中Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu微焊点界面金属间化合物（IMC）的生长演变机制,分析了电载荷作用下固-液电迁移与固-固电迁移的区别. 结果表明,固-液电迁移过程中,随着加载时间的延长,两极IMC层厚度均增厚,且阳极IMC层厚度增长速率比阴极大;阴极侧IMC晶粒径向尺寸一直增大,轴向尺寸呈先增大后减小的变化规律,阳极侧IMC晶粒的尺寸在轴向与径向均增大;加载过程中,阳极IMC晶粒尺寸始终大于阴极;与固-固电迁移相比,固-液电迁移后,阴极侧,焊点IMC形貌更规则,且表面光滑度提高;阳极侧,固-固扩散时界面IMC晶粒形貌为多边形球状,而固-液扩散时界面IMC形貌为多边形柱状.     

微量元素对无铅焊点电迁移性能的改善

电迁移现象已经成为电子组装焊技术中最受关注的问题之一.焊点在高电流密度下的服役可靠性与焊点钎料成分有关.通过对比分析五种SnAgCu基无铅焊点在高电流密度下的服役表现,分析了添加微量元素对于电迁移现象的影响规律.结果表明,焊球承受一定电流作用之后,阴极金属间化合物（IMC）分解,铜焊盘受侵蚀,阳极形成大量脆性化合物Cu6Sn5;根据IMC层的厚度变化,Sn3.0Ag0.5Cu的抗电迁移性能优于低银钎料;向低银钎料中加入微量元素Bi和Ni后,晶粒得到了明显的细化,界面IMC层较薄,其抗电迁移的能力得到了明显的改善.     

Sn-3.0Ag-0.5Cu-XCo钎焊接头金属间化合物层电迁移现象的研究

研究了以Co颗粒为增强相的Sn3.0Ag0.5Cu钎料合金接头的电迁移特性。结果表明,50℃、104A/cm2条件下直至16d,Sn3.0Ag0.5Cu-0.2Co钎料接头无明显电迁移现象产生。将温度提高至150℃后,接头正、负极处金属间化合物(IMC)层的厚度产生明显差异,即电子风力引发的‘极化效应’。Sn3.0Ag0.5Cu钎料接头在通电1d和3d后,正、负极处IMC层的结构发生了相反的变化。而Sn3.0Ag0.5Cu-0.05Co接头在通电3d后,负极处产生明显裂纹。此外,Co的引入有效地缓解了IMC层的生长趋势,提高了接头显微组织的稳定性。     

Electromigration induced microstructure evolution and damage in asymmetric Cu/Sn-58Bi/Cu solder interconnect under current stressing

The electromigration induced microstructure evolution and damage in asymmetric Cu/Sn-58Bi/Cu solder interconnects were investigated by in-situ SEM observation, focused ion beam (FIB) microanalysis and finite element (FE) simulation. The SEM results show that the electromigration-induced local degradation of microstructures, i.e., segregation of Bi-rich phase and formation of microcracks, in the asymmetric solder interconnects is much severer than that in the symmetrical ones. FIB-SEM microanalysis reveals that the microregional heterogeneity in electrical resistance along different electron flowing paths is the key factor leading to non-uniform current distribution and the resultant electromigration damage. Theoretical analysis and FE simulation results manifest that the current crowding easily occurs at the local part with smaller resistance in an asymmetric solder interconnect. All results indicate that the asymmetric shape of the solder interconnect brings about the difference of the electrical resistance between the different microregions and further results in the severe electromigration damage.     

Ni/Au镀层与SnPb焊点界面电迁移的极性效应

采用Ni(P)/Au镀层-SnPb焊点-Ni(P)/Au镀层的互连结构,研究电迁移作用下焊点/镀层界面金属间化合物(IMC)的极性生长特性,从电位差和化学位梯度条件下原子定向扩散的角度分析互连结构的微结构变化的微观机制。在无外加应力条件下,由于液态反应速率远远快于固态反应速率,Ni(P)/Au镀层与焊点界面IMC经过120℃、100h的热处理后无明显变化。但是,在电迁移作用下,由于Sn沿电子流方向的定向扩散使阳极界面IMC异常生长,而阴极界面IMC厚度基本不变。由于电子由上层Cu布线进入焊点的电子注入口位于三相结合界面位置,在焦耳热的作用下会导致焊料的局部熔融,引起Cu布线与焊料的反应,使电子注入口的Cu布线合金化。     

电迁移对低银无铅微尺度焊点力学行为的影响

研究了电迁移条件下不同电流密度(0.63~1.0×104 A/cm2)和通电时间(0~48 h)对低银无铅Sn-Ag-Cu微尺度焊点的拉伸力学行为的影响. 结果表明,电迁移导致了低银无铅微尺度焊点的抗拉强度显著降低,并且随着电流密度的增加或通电时间的延长,焊点的抗拉强度均呈下降趋势;同时电迁移还导致焊点的拉伸断裂模式发生明显变化,在经历高电流密度或长时间通电的电迁移后,焊点在服役条件下会发生由韧性断裂向脆性断裂的转变. 此外含银量高的微尺度焊点的抗电迁移性能更强.     

Cu/Sn-58Bi/Cu焊点电迁移行为研究

采用双辊快速凝固技术制备了Sn-58Bi钎料薄带,并制备Cu/Sn-58Bi/Cu线性焊点。使用电子探针(EPMA)及能谱分析(EDS)研究焊点在电流密度为1×10^4 A/cm^2(25℃)下界面金属间化合物(IMC)、元素扩散与钎料基体组织演变规律。结果表明,随着通电时间延长阳极界面处的IMC层的形状从扇贝状转变为锯齿状,阴极界面处的IMC层由扇贝形变为不规则,其厚度逐渐增加。阳极由于Bi的偏聚形成了富Bi层,Sn在阴极偏聚,基体共晶组织(Bi+β-Sn)粗化。基于线性拟合可知,阳极和阴极的界面IMC层的生长系数n分别为0.263和0.442,其生长机制可归结为体积扩散。     

Retarding the electromigration effects to the eutectic SnBi solder joints by micro-sized Ni-particles reinforcement approach

Electromigration (EM) has become one of the reliability concerns to the electronic solder joint due to its increasing capacity to bear the high current density (10⁴ A/cm²). Although the failure induced by EM can trigger a large void across the entire cathode interface, no effective solutions are presented throughout years of effort on this problem. Here, the composite solder joints are addressed to demonstrate their potential roles on solving the EM issue in the eutectic SnBi solder joints. Micro-sized Ni particles were selected to intentionally add into the solder matrix due to their extensive application as a barrier layer in the under-bump-metallization (UBM) of flip chip solder joints. The ultimate results illustrated that the Ni particles can react with Sn to form the cluster-type Sn-Ni intermetallic compounds (IMCs) inside the solder matrix after the first reflow. Accordingly, the phase segregation of Sn and Bi was significantly inhibited during the current stressing, demonstrating the Sn-Ni IMCs can act as the obstacles to obstruct the movement of dominant diffusion entity (Bi atoms/ions) along the phase boundaries.