电迁移引起的微小尺寸无铅焊点的组织演化

论文摘要

随着电子封装互连焊点的尺寸越来越小,焊点内的电流密度越来越大,电迁移逐渐成为影响封装可靠性的关键问题之一引起广泛关注。电子制造工业中已经广泛采用无铅钎料代替SnPb共晶钎料,但是对于无铅钎料电迁移现象的研究还不透彻,因此针对无铅钎料中电迁移现象的研究非常紧迫而又具有重要的现实意义。本文针对SnAgCu系列无铅钎料内的电迁移现象进行探索,研究了电迁移对钎料组织以及金属间化合物的形貌演化产生的影响,分析了焊点内的电流分布,探讨了金属间化合物特殊分布形貌的机制。实验过程中采用搭接与芯片—焊点—基板夹层两种结构的焊点,在通电不同时间后,对焊点中的钎料组织以及内部金属间化合物的演化进行了观察比较。为了区分温度对电迁移实验结果的影响,在100℃下实施热老化实验。电迁移实验结果表明,在搭接焊点内,通电后金属间化合物的原始针状形貌基本消失,然而并没有观察到明显的阴极金属间化合物被消耗,阳极金属间化合物生长的极化效应;相反两侧焊盘上方的金属间化合物大致呈对称分布,而每一侧的金属间化合物厚度沿焊盘平面从焊点内部向焊点外部呈现出一定的坡度。有限元模拟结果表明:通电过程中焊点内的电势呈扇状分布,这与金属间化合物的分布非常相像。另外在光学显微镜下观察到焊盘与金属间化合物界面处有暗灰色的新化合物生成,EDS成分分析结合Cu-Sn相图分析表明新生成的化合物为Cu6Sn5。热老化实验结果表明:热老化的试样中金属间化合物分布均匀,厚度上并没有出现坡度,也没有新化合物生成。采用芯片—焊点—基板夹层结构焊点进行原位通电,对比通电前后焊点组织形貌发现:通电后焊点内的Ag3Sn与Sn的原始共晶组织变得模糊不清甚至消失不见,继续通电更长时间后组织形貌变化不明显,但有较明显的电迁移现象出现:阴极区钎料与金属间化合物的接合处出现凹坑,阳极区金属间化合物表面出现堆积凸起。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外电迁移研究综述
• 1.2.1 SnPb 共晶钎料电迁移的研究
• 1.2.2 电迁移基本参数的研究
• 1.2.3 低电流密度下的电迁移研究
• 1.2.4 无铅钎料电迁移的研究
• 1.2.5 电迁移过程中的热迁移
• 1.3 本课题主要研究的内容
• 第2章 试验材料、设备与方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验设备
• 2.3 试验过程
• 2.3.1 试件表面处理
• 2.3.2 试样准备
• 2.3.3 原位通电试样准备
• 2.3.4 试样通电
• 2.3.5 金相试样制备
• 2.4 焊点显微组织观察及成分分析
• 2.4.1 金相显微组织观察
• 2.4.2 微观组织、金属间化合物SEM 观察以及能谱分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 电流对金属间化合物的影响
• 3.1 焊点内电流场分布有限元模拟
• 3.1.1 电流集聚效应与电迁移
• 3.1.2 焊点内的电场有限元模型的建立
• 3.1.3 焊点内的电场分布模拟
• 3.1.4 焊点内的电势分布模拟
• 3.2 电流对金属间化合物的影响
• 3.2.1 金属间化合物原始形貌
• 3.2.2 通电后金属间化合物的变化
• 3.2.3 电势分布与金属间化合物分布
• 3.2.4 通电过程中新生成的化合物
• 3.3 热老化对比实验
• 3.4 电迁移对金属间化合物的作用
• 3.5 本章小结
• 第4章 电流对焊点组织的影响
• 4.1 焊点原始形貌及成分分析
• 4.2 焊点内电场与电势分布的有限元模拟
• 4.2.1 电场的本构方程
• 4.2.2 焊点的模型建立与网格划分
• 4.2.3 加载条件
• 4.2.4 电场与电势分布模拟结果
• 4.3 通电不同时间焊点原位组织变化
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢