Sn/Cu互连体系界面和金属间化合物层Kirkendall空洞演化和生长动力学的晶体相场法模拟
发布时间：2022-01-14 14:11
采用二元合金晶体相场模型模拟研究了Sn/Cu互连体系Cu/Cu3Sn界面及金属间化合物层中Kirkendall空洞形成和形貌演化及长大过程,对Kirkendall空洞生长的微观机制进行了剖析,同时还模拟和分析了界面Cu3Sn层厚度和杂质含量对Kirkendall空洞形貌和生长动力学的影响.研究表明,Kirkendall空洞的生长过程由4个阶段组成:Cu/Cu3Sn界面形成大量原子错配区,原子错配区迅速成长为空洞,空洞的长大及随后的空洞合并生长.Kirkendall空洞优先在Cu/Cu3Sn界面处形核,其尺寸随时效时间的延长而增大,并在时效后期空洞的生长伴随有空洞的合并.Cu3Sn层厚度增加和杂质含量增多均使得Kirkendall空洞数量和生长指数增加以及尺寸增大,并且2种情况下空洞数量随时间的变化均呈现先增后减的规律.
【文章来源】：金属学报. 2015,51(07)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
模拟计算采用的二维区域示意图
arameterrelatedtophasediagram;Bx—theelasticconstantofthecrystal;t1,v—thefluctuationamplitudes;w—thedifferencebetweeninterspeciesbondenergyandselfbondenergy;u—theatomicinteractions;K—thegradientenergycoeffi-cientfortheconcentrationfield;nˉl─thedi-mensionlessdensityofsupercooledliquidphase;nˉs─thedimensionlessdensityofsol-idphase;ψCu─thedimensionlessconcentra-tionofCu-richphase;ψSn─thedimension-lessconcentrationofSn-richphase图2Cu/Cu3Sn界面和Cu3Sn层Kirkendall空洞的模拟结果和组织形貌Fig.2SimulatedmorphologiesofKirkendallvoidsattheCu/Cu3SninterfaceandintheCu3Snlayeratdifferenttimestepsoft=0.1×105(a),3×105(b),5×105(c),7×105(d)andtheexperimentalobservationofKirkendallvoids[3]intheSn-3.0Ag-0.5Cu/Cujointagedat217℃for120min(e)and240min(f)马文婧等:Sn/Cu互连体系界面和金属间化合物层Kirkendall空洞演化和生长动力学的晶体相场法模拟877
以探讨不同Cu/Sn原子迁移率比值对Kirkendall空洞形貌的影响,模拟结果如图3所示.随Sn原子迁移率的减小,空洞由垂直于界面生长逐渐转变为平行于界面生长,且Cu3Sn界面上方的空洞逐渐消失,空洞形貌趋于扁平.根据文献[26]可知,不同温度下Cu原子和Sn原子在Cu3Sn中的原子迁移率相差1~2个数量级;考虑真实体系中Cu原子和Sn原子迁移率同时受到Cu3Sn,Cu6Sn5和Cu3Sn/Cu6Sn5界面的影响,后续研究采用的原子迁移率为MSn=0.01及MCu=1.2.2IMC层厚度对Kirkendall空洞形貌和生长动力学的影响图4为Cu3Sn层厚度变化时Kirkendall空洞形貌演化的模拟结果.模拟初始设置3种Cu3Sn层尺寸范围512Δx×(103~200)Δy,512Δx×(103~190)Δy和512Δx×(103~180)Δy,Cu层尺寸范围为512Δx×(1~98)Δy,也即图4a1~a3,b1~b3和c1~c3中Cu3Sn层与Cu层的厚度比分别为1∶1,9∶10和4∶5,界面取向差设置为4.8°[23].在相同的演化时间(t=7×105)下,Cu3Sn层厚度越大则对应的Kirkendall空洞数量越多且尺寸越大.从演化过程可以看出,t从0增加到1×105的过程中界面层两侧的原子不断吞噬界面,最图4不同Cu3Sn层厚度下Cu/Cu3Sn界面Kirkendall空洞组织形貌Fig.4SimulatedmorphologiesofKirkendallvoidsattheCu/Cu3SninterfacewiththicknessratiosofCu3SnlayertoCulayerbeing1∶1(a1~a3),9∶10(b1~b3)and4∶5(c1~c3)att=0.6×105(a1,b1,c1),1×105(a2,b2,c2)and7×105(a3,b3,c3)(Insetsshowthecorrespondingenlargedviews)图3Cu/Cu3Sn界面和Cu3Sn层Kirkendall空洞在不同原子迁移率时的组织形貌Fig.3SimulatedmorphologiesofKirkendallvoidsattheCu/Cu
【参考文献】：
期刊论文
[1]Sn/Cu互连体系界面金属间化合物Cu6Sn5演化和生长动力学的相场法模拟[J]. 柯常波,周敏波,张新平. 金属学报. 2014(03)
[2]BGA结构Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu焊点低温回流时界面反应和IMC生长行为[J]. 周敏波,马骁,张新平. 金属学报. 2013(03)
本文编号：3588648
【文章来源】：金属学报. 2015,51(07)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
模拟计算采用的二维区域示意图
arameterrelatedtophasediagram;Bx—theelasticconstantofthecrystal;t1,v—thefluctuationamplitudes;w—thedifferencebetweeninterspeciesbondenergyandselfbondenergy;u—theatomicinteractions;K—thegradientenergycoeffi-cientfortheconcentrationfield;nˉl─thedi-mensionlessdensityofsupercooledliquidphase;nˉs─thedimensionlessdensityofsol-idphase;ψCu─thedimensionlessconcentra-tionofCu-richphase;ψSn─thedimension-lessconcentrationofSn-richphase图2Cu/Cu3Sn界面和Cu3Sn层Kirkendall空洞的模拟结果和组织形貌Fig.2SimulatedmorphologiesofKirkendallvoidsattheCu/Cu3SninterfaceandintheCu3Snlayeratdifferenttimestepsoft=0.1×105(a),3×105(b),5×105(c),7×105(d)andtheexperimentalobservationofKirkendallvoids[3]intheSn-3.0Ag-0.5Cu/Cujointagedat217℃for120min(e)and240min(f)马文婧等:Sn/Cu互连体系界面和金属间化合物层Kirkendall空洞演化和生长动力学的晶体相场法模拟877
以探讨不同Cu/Sn原子迁移率比值对Kirkendall空洞形貌的影响,模拟结果如图3所示.随Sn原子迁移率的减小,空洞由垂直于界面生长逐渐转变为平行于界面生长,且Cu3Sn界面上方的空洞逐渐消失,空洞形貌趋于扁平.根据文献[26]可知,不同温度下Cu原子和Sn原子在Cu3Sn中的原子迁移率相差1~2个数量级;考虑真实体系中Cu原子和Sn原子迁移率同时受到Cu3Sn,Cu6Sn5和Cu3Sn/Cu6Sn5界面的影响,后续研究采用的原子迁移率为MSn=0.01及MCu=1.2.2IMC层厚度对Kirkendall空洞形貌和生长动力学的影响图4为Cu3Sn层厚度变化时Kirkendall空洞形貌演化的模拟结果.模拟初始设置3种Cu3Sn层尺寸范围512Δx×(103~200)Δy,512Δx×(103~190)Δy和512Δx×(103~180)Δy,Cu层尺寸范围为512Δx×(1~98)Δy,也即图4a1~a3,b1~b3和c1~c3中Cu3Sn层与Cu层的厚度比分别为1∶1,9∶10和4∶5,界面取向差设置为4.8°[23].在相同的演化时间(t=7×105)下,Cu3Sn层厚度越大则对应的Kirkendall空洞数量越多且尺寸越大.从演化过程可以看出,t从0增加到1×105的过程中界面层两侧的原子不断吞噬界面,最图4不同Cu3Sn层厚度下Cu/Cu3Sn界面Kirkendall空洞组织形貌Fig.4SimulatedmorphologiesofKirkendallvoidsattheCu/Cu3SninterfacewiththicknessratiosofCu3SnlayertoCulayerbeing1∶1(a1~a3),9∶10(b1~b3)and4∶5(c1~c3)att=0.6×105(a1,b1,c1),1×105(a2,b2,c2)and7×105(a3,b3,c3)(Insetsshowthecorrespondingenlargedviews)图3Cu/Cu3Sn界面和Cu3Sn层Kirkendall空洞在不同原子迁移率时的组织形貌Fig.3SimulatedmorphologiesofKirkendallvoidsattheCu/Cu
【参考文献】：
期刊论文
[1]Sn/Cu互连体系界面金属间化合物Cu6Sn5演化和生长动力学的相场法模拟[J]. 柯常波,周敏波,张新平. 金属学报. 2014(03)
[2]BGA结构Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu焊点低温回流时界面反应和IMC生长行为[J]. 周敏波,马骁,张新平. 金属学报. 2013(03)
本文编号：3588648
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