液-固电迁移Ni/Sn-9Zn/Ni焊点反极性效应研究

研究了230℃,5×103A/cm2条件下液-固电迁移对Ni/Sn-9Zn/Ni线性焊点界面反应的影响.在液-固电迁移过程中,Ni/Sn-9Zn/Ni焊点表现出明显的反极性效应,即阴极界面金属间化合物(IMC)持续生长变厚,并且一直厚于阳极界面IMC.由于排除背应力的影响,Sn-9Zn液态钎料中Zn原子的反常迁移行为归因于其有效电荷数在高温下为正值,即在电子风力作用下Zn原子向阴极界面定向迁移,从而导致焊点在液-固电迁移过程中发生反极性效应.回流焊后,Ni/Sn-9Zn/Ni焊点两侧界面上均生成了较薄的Ni5Zn21层.液-固界面反应过程中(无电流)焊点两侧界面IMC均随时间延长而生长变厚,从而消耗钎料中的Zn原子并使界面处的相平衡发生变化,导致界面IMC由Ni5Zn21转变为[Ni5Zn21+(Ni,Zn)3Sn4].与之相较,液-固电迁移过程中阴阳两极界面IMC的类型一直为Ni5Zn21,并未发生IMC类型的转变.这是由于,在电子风力作用下,阴极界面附近钎料中Zn原子的含量充足,Zn与Ni反应生成Ni5Zn21型IMC;同时,电子风力也阻碍了Zn原子向阳极界面的扩散,从而抑制了阳极界面IMC的生长,导致界面IMC较薄,因此阳极界面也未发生IMC类型的转变.此外,运用反证法进一步验证了Zn的有效电荷数在高温下是正值.     

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。     

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。     

热迁移下Ni/Sn-xCu/Ni微焊点钎焊界面金属间化合物的演变

研究了240℃,温度梯度为1045℃/cm的热迁移条件下Cu含量对Ni/Sn-xCu/Ni(x=0.3、0.7、1.5,质量分数,%)微焊点钎焊界面反应的影响。结果表明,在热迁移过程中微焊点发生了界面金属间化合物(IMC)的非对称生长和转变以及Ni基体的非对称溶解。在Ni/Sn-0.3Cu/Ni微焊点中,虽然界面IMC类型始终为初始的(Ni,Cu)3Sn4,但出现冷端界面IMC厚度明显大于热端的非对称生长现象。在Ni/Sn-0.7Cu/Ni和Ni/Sn-1.5Cu/Ni微焊点中,界面IMC类型逐渐由初始的(Cu,Ni)6Sn5转变为(Ni,Cu)3Sn4,且出现冷端滞后于热端的非对称转变现象;Ni/Sn-1.5Cu/Ni微焊点冷、热端发生IMC转变的时间均滞后于Ni/Sn-0.7Cu/Ni微焊点。通过分析微焊点冷、热端界面IMC生长所需Cu和Ni原子通量,确定Cu和Ni的热迁移方向均由热端指向冷端。微焊点中的Cu含量显著影响主热迁移元素的种类,进而影响冷、热端界面IMC的生长和转变规律。此外,热迁移促进了热端Ni原子向钎料中的扩散,加速了热端Ni基体的溶解,溶解到钎料中的Ni原子大部分迁移到冷端并参与界面反应。相反,热迁移显著抑制了冷端Ni原子的扩散,因此冷端Ni基体几乎不溶解。     

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.     

电流密度对Cu/Sn-9Zn/Ni焊点液-固电迁移行为的影响

采用同步辐射实时成像技术对比研究了不同电流密度对Cu/Sn-9Zn/Ni焊点液-固电迁移行为和界面反应的影响。结果表明,当电流密度为5.0×10~3A/cm~2时,无论电子方向如何,钎料中的Zn原子均定向扩散至Cu侧界面参与界面反应,导致Cu侧界面处金属间化合物(intermetallic compounds,IMC)的厚度大于Ni侧界面处IMC的厚度;而当电流密度升高至1.0×10~4和2.0×10~4 A/cm~2时,钎料中的Zn原子均定向扩散至阴极界面,界面IMC的生长表现为"反极性效应",电流密度越高界面IMC的"反极性效应"越显著。液-固电迁移过程中Cu基体消耗明显,特别是在高电流密度条件下,电子从Ni侧流向Cu侧时,Cu基体的溶解厚度与时间呈现线性关系,电流密度越高Cu基体的溶解速率越快。此外,基于焊点中原子电迁移通量J_(em)和化学势通量J_(chem)对Zn原子和Cu在不同电流密度下的迁移行为进行了研究。     

电迁移极性效应及其对Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅焊点拉伸性能的影响

采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和微拉伸实验,研究Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu对接焊点在不同电迁移时间下阳极、阴极界面金属间化合物(IMC)的生长演变规律及焊点抗拉强度的变化,同时对互连焊点的断口形貌及断裂模式进行分析.结果表明:在电流密度(J)为1.78×104 A/cm2、温度为373 K的加载条件下,随着加载时间的延长,焊点界面IMC的生长呈现明显的极性效应,阳极界面IMC增厚,阴极界面IMC减薄,且阳极界面IMC的生长符合抛物线规律;同时,互连焊点的抗拉强度不断下降,焊点的断裂模式由塑性断裂逐渐向脆性断裂转变,断裂位置由焊点中心向阴极界面处转移.     

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.     

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.