低银无铅焊点电迁移性能的研究

论文摘要

目前,倒装芯片技术在电子封装中占据非常重要的地位,但是随着封装密度的不断提高,电迁移现象已经成为严重影响其可靠性的重要问题,已引起广泛关注。低银SnAgCu系无铅钎料是最有可能替代SnPb钎料的几种钎料之一,相信会有很好的发展前景。因此,研究低银无铅钎料的电迁移行为在微电子封装可靠性的研究中占有非常重要的地位。本文以SAC305、Sn0.7Ag0.5Cu和Sn0.7Ag0.5Cu-3.5Bi0.05Ni三种钎料成分的焊点作为研究对象,在不同的环境温度、电流密度和时间条件下进行了电迁移试验。对比分析了三种钎料的抗电迁移性能以及电迁移现象对焊点界面结构和力学性能的影响。研究结果表明,微量元素Bi和Ni可以有效提高低银无铅钎料的抗电迁移性能;随着试验时间的增加,阴极IMC层分解,Cu焊盘遭到侵蚀,阳极端形成了大量的化合物,阴阳极的IMC层表面逐渐趋于平缓;界面IMC与Cu焊盘之间生成一层Cu3Sn化合物,阴极端比阳极端先出现Cu3Sn层,并且试验结束后阴极Cu3Sn层厚度大于阳极;室温下,对互连焊点施加0.8×104A/cm2的电流密度持续20天,互连焊点扇贝状化合物表面趋于平缓,而进行160℃高温时效100h处理后再进行电迁移试验,扇贝状的IMC基本上没有变化;在5.0×104A/cm2的电流密度下通电,互连焊点仅仅1min就发生了非常严重的电迁移失效,阳极形成了大量的Cu6Sn5化合物,阴极IMC迅速分解,Cu焊盘遭到严重侵蚀,并且侵蚀最严重的区域位于焊盘两端。电迁移试验中,温度起着非常重要的作用。在其他试验条件相同的情况下,环境温度越高,互连焊点发生的电迁移现象也越明显。环境温度为120℃、电流密度为1.76×104A/cm2时通电58h后,焊点在很短时间内就发生了电迁移失效,而在25℃和80℃条件下,电迁移现象并不明显。电迁移现象导致焊点内部组织发生变化,阴极端组织稀疏,有空洞和裂纹产生;阳极端组织致密,大量化合物在此处形成;电迁移现象使得焊点各处压痕硬度值发生变化,阴极区域焊点压痕硬度明显降低,阳极区域压痕硬度升高,在焊点内部形成了一个硬度梯度;阴极端的弹性模量与试验前相比明显降低,而阳极端变化并不明显;焊点的蠕变深度△h随着加载速率的增加而升高,电迁移试验后阴阳两极的蠕变深度明显大于试验前,电迁移降低了互连焊点的抗蠕变性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 电迁移现象的研究现状及发展
• 1.3 本课题研究内容
• 第2章 试验方法
• 2.1 试验设计
• 2.2 试验材料
• 2.2.1 微焊球的制备
• 2.2.2 试验板的设计和制作
• 2.2.3 电迁移试样的制备
• 2.3 电迁移试验
• 2.4 微观分析试样的制备
• 第3章 无铅互连焊点的电迁移行为
• 3.1 引言
• 3.2 不同钎料成分的电迁移行为
• 3.2.1 SAC305 焊点的电迁移行为
• 3.2.2 SAC0705 焊点的电迁移行为
• 3.2.3 SAC0705BiNi 焊点的电迁移行为
• 3.3 较低环境温度和较低电流密度的电迁移
• 3.4 互连焊点在高电流密度下的电迁移行为
• 3.5 本章小结
• 第4章 电迁移现象对焊点力学性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 电迁移现象对焊点压痕硬度的影响
• 4.3 电迁移现象对焊点弹性模量的影响
• 4.4 电迁移现象对焊点蠕变参数的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 电迁移现象对焊点界面结构的影响
• 5.1 引言
• 5.2 电迁移对焊点界面结构的影响
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢