电迁移作用下Sn-58Bi的界面演变及抑制行为研究
发布时间：2019-11-14 00:00
【摘要】：随着人们对环境和健康问题的日益关注,电子产品中Pb的使用受到有效限制,国内外学者开始了大量无铅钎料的探索,其中Sn-58Bi以其低熔点、成本和热膨胀系数而在低温封装中受到广泛关注。电子产品的封装密度不断增加,导致通过焊点的电流密度不断提高,目前已经高达106A/cm2,在如此高的电流密度下,焊点很容易发生失效。本文在Cu/Sn-58Bi/Cu线性焊点研究基础上,进一步研究了电迁移作用下Sn-58Bi/Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305)两种钎料构成的结构复合焊点和成分复合焊点的界面反应及抑制机理;另外,在Cu基板中加入一定含量的Zn元素,研究Cu-Zn基板对Sn-58Bi电迁移性能的影响。Cu/Sn-58Bi/Cu线性焊点在常温、电流密度大小为1×104A/cm2固/固电迁移过程中,表面随着原子的迁移出现凸起裂纹,随着时间的推移,在阳极界面处形成Sn晶须,阴极出现拉裂纹。对于焊点内部而言,Bi原子不断迁往阳极,在阳极形成富Bi层。温度对原子迁移的影响至关重要,50℃下阳极富Bi层的厚度是常温下富Bi层厚度的4.5倍。在高电流(24A)下的液/固电迁移中,阳极界面生成大量的棒状金属间化合物(IMC),随着通电时间的延长不断长大,表现为“熟化现象”;阴极界面Cu原子不断消耗,界面变得凹凸不平。在高温低电流密度(150℃,5×103A/cm2)的液/固电迁移中,阴极和阳极界面IMC的生长速率分别高于固/固电迁移中界面IMC的生长速率,且阴极界面IMC厚度要高于阳极界面IMC厚度。结构复合焊点能够实现低温连接,回流后焊点连接性良好,在电迁移过程中,与Cu/Sn-58Bi/Cu相比,富Bi层厚度和两极界面IMC厚度都要更小,说明中间SAC305层对Bi原子和Cu原子的迁移都起到阻碍作用。阴极侧Sn-58Bi中的Bi原子从SAC305边缘迁往阳极侧Sn-58Bi中,Bi在结构复合焊点中的迁移具有“集肤效应”。阳极侧的Sn-58Bi/SAC305界面附近的Bi原子在电迁移过程中逐渐远离SAC305,而阴极侧的Sn-58Bi/SAC305界面附近的Bi原子逐渐靠近SAC305。两种成分复合焊点中,Ag含量的高低对电迁移影响很大,Ag含量越高,对迁移的阻碍作用越明显。成分复合焊点中两极界面IMC随通电时间的延长而不断增长,但是增长速率缓慢,这是由于Ag3Sn对原子迁移的阻碍作用,且随着时间的推移,在阳极界面处没有连续的富Bi层的出现。对于Cu-xZn/Sn-58Bi/Cu-xZn(x=2.29wt.%和4.89wt.%)线性焊点,Zn元素的添加可以有效减少表面Sn晶须和裂纹产生。在常温固/固电迁移中,Zn元素的添加可以改变电迁移中的扩散主元,在一定程度上降低Bi原子的扩散速率,而提高Cu原子扩散速率。在液/固电迁移中,高电流密度引起的阳极IMC“熟化现象”明显,热电耦合阳极IMC厚度要明显高于阴极IMC厚度。
【图文】：
且电流密度越大，，相粗化现象越明显。另外，在电的情况下，在阴极会有柯肯达尔孔洞的形成，这会严重影响焊点19]研究了纯 Sn 在不同电流密度下的电迁移现象，发现电流的长，高电流密度下界面化合物的生长速率要明显高于低电流密度外，在他们的研究中，他们发现阳极化合物的生长速率要高于，阴极化合物的厚度增长到一定时间后就开始溶解减小。在 Chu/Sn-Ag-Cu/Au/Cu 焊点的电迁移行为进行了研究，高电流密度提高 Cu6Sn5的生成速率[20]。阴极和阳极由于原子扩散方向及速Cs 化合物增长速率不同，初始阶段阴极厚度要大于阳极厚度[21，而阴极化合物厚度则先增大后减小，呈抛物线规律。然而，04A/cm2数量级电流密度在不同温度下对Cu/Sn-3.8Ag-0.7Cu/Cu况，如图 1.1 所示。从图 1.1 可以看出，电流的增加明显增加了极界面化合物的生长都符合抛物线规律，阴极界面化合物的厚流密度越大，阳极化合物增长速率越快，同时，阴极界面化合(a)(b)
江苏科技大学工学硕士学位论文度下（104A/cm2、1.2×104A/cm2、1.4×104A/cm2），He 等人[32]发现在电子场的作用极界面 IMCs 的厚度逐渐变大，但是阳极生成的富 Bi 层阻碍了阳极界面 IMCs 的，阳极 IMCs 生长速率缓慢，导致阴阳两极化合物出现明显差距。Gu 等人[33]研究u/Sn-58Bi/Cu 焊点在低电流密度（5×103A/cm2）、不同温度下原子的迁移，35℃阳阴极界面如图 1.2 所示，其中亮色的是富 Bi 相，灰色的是富 Sn 相，通电 480 h 阳极形成富 Bi 层。当环境温度提高到 75℃时，通电 480h 后，阳极富 Bi 层厚度增加，阴极出现了明显的富 Sn 层，并有孔洞出现，孔洞可能发展为裂纹源，严重焊点可靠性，可见环境温度对原子电迁移有明显的影响。此外，当焊点在热迁移迁移同时作用时，电迁移和热迁移都会影响 IMCs 的生长及原子迁移。当其方向时，原子的迁移会增强及反应，反之则会减弱[34, 35]。电迁移对化合物层、Bi 层及粗化等的影响都直接影响焊点接头强度，使焊点由原先的钎料处韧性断裂转变为处的脆性断裂。
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN40
本文编号：2560544
【图文】：
且电流密度越大，，相粗化现象越明显。另外，在电的情况下，在阴极会有柯肯达尔孔洞的形成，这会严重影响焊点19]研究了纯 Sn 在不同电流密度下的电迁移现象，发现电流的长，高电流密度下界面化合物的生长速率要明显高于低电流密度外，在他们的研究中，他们发现阳极化合物的生长速率要高于，阴极化合物的厚度增长到一定时间后就开始溶解减小。在 Chu/Sn-Ag-Cu/Au/Cu 焊点的电迁移行为进行了研究，高电流密度提高 Cu6Sn5的生成速率[20]。阴极和阳极由于原子扩散方向及速Cs 化合物增长速率不同，初始阶段阴极厚度要大于阳极厚度[21，而阴极化合物厚度则先增大后减小，呈抛物线规律。然而，04A/cm2数量级电流密度在不同温度下对Cu/Sn-3.8Ag-0.7Cu/Cu况，如图 1.1 所示。从图 1.1 可以看出，电流的增加明显增加了极界面化合物的生长都符合抛物线规律，阴极界面化合物的厚流密度越大，阳极化合物增长速率越快，同时，阴极界面化合(a)(b)
江苏科技大学工学硕士学位论文度下（104A/cm2、1.2×104A/cm2、1.4×104A/cm2），He 等人[32]发现在电子场的作用极界面 IMCs 的厚度逐渐变大，但是阳极生成的富 Bi 层阻碍了阳极界面 IMCs 的，阳极 IMCs 生长速率缓慢，导致阴阳两极化合物出现明显差距。Gu 等人[33]研究u/Sn-58Bi/Cu 焊点在低电流密度（5×103A/cm2）、不同温度下原子的迁移，35℃阳阴极界面如图 1.2 所示，其中亮色的是富 Bi 相，灰色的是富 Sn 相，通电 480 h 阳极形成富 Bi 层。当环境温度提高到 75℃时，通电 480h 后，阳极富 Bi 层厚度增加，阴极出现了明显的富 Sn 层，并有孔洞出现，孔洞可能发展为裂纹源，严重焊点可靠性，可见环境温度对原子电迁移有明显的影响。此外，当焊点在热迁移迁移同时作用时，电迁移和热迁移都会影响 IMCs 的生长及原子迁移。当其方向时，原子的迁移会增强及反应，反之则会减弱[34, 35]。电迁移对化合物层、Bi 层及粗化等的影响都直接影响焊点接头强度，使焊点由原先的钎料处韧性断裂转变为处的脆性断裂。
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN40
【参考文献】
相关期刊论文 前5条
1 马东亮;吴萍;;液态时效条件下Zn元素的添加对共晶Sn-58Bi焊料力学性能的影响（英文）[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2015年04期
2 岳武;秦红波;周敏波;马骁;张新平;;结构变化对Cu/Sn-58Bi/Cu微焊点电迁移行为和组织演变的影响[J];金属学报;2012年06期
3 何洪文;徐广臣;郭福;;熔融状态下共晶SnBi钎料的电迁移特性[J];稀有金属材料与工程;2010年S1期
4 尹立孟;张新平;;电迁移致无铅钎料微互连焊点的脆性蠕变断裂行为[J];电子学报;2009年02期
5 吴丰顺,张金松,吴懿平,郑宗林,王磊,谯锴;集成电路互连引线电迁移的研究进展[J];半导体技术;2004年09期
本文编号：2560544
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