单晶及多晶结构对焊点电迁移的影响

摘要

伴随着电子制造水平的快速提高，电子产品逐渐向着便携式、穿戴式方向发展，电子产品不断缩小的特征尺寸要求芯片集成度大幅提高，高密度的输入/输出端口数使得互连焊点内电迁移问题越来越明显，并且会随着集成度的提高变得更加显著。
　　本实验采用倒装芯片的封装形式,选用直径300μm，成分为Sn3.0Ag0.5Cu（wt％）钎料球，利用热风焊接方法在240±5℃的条件下经过二次回流制成焊点，在凸点内平均电流密度值为7.07×103 A/cm2条件下进行非原位与原位电迁移实验。利用扫描电子显微镜（SEM）并结合电子背散射衍射分析技术（EBSD）对电迁移前后的焊点形貌及晶粒结构进行研究。
　　在非原位电迁移实验中，分析得出在单晶结构焊点内，只有体扩散，焊点内化合物迁移的方向仅由凸点内部的晶粒取向控制，当电子流动的方向与β-Sn晶格c轴方向近乎平行或是夹角较小时，化合物沿电流方向迁移较快。反之，若是垂直或是夹角较大时，阻碍了化合物沿电流方向的迁移。在多晶结构焊点内，体扩散和晶界扩散共同影响凸点内金属原子的扩散路径，多晶焊点内的晶粒取向随机，晶界较多且蜿蜒曲折，实验结果表明多晶结构能有效抑制化合物的快速迁移。实验观察到了在电迁移过程中凸点阴、阳极界面处金属间化合物层的微观演变，并详细的表征了阴极界面微孔洞的出现、微裂纹的孕育长大和阴极界面撕裂的整个过程。利用EBSD技术对Sn3.0Ag0.5Cu凸点内的交错孪晶结构进行了分析，得出了孪生晶界的延伸方向对化合物迁移路径的影响，即当晶界的延伸方向与电子流动的方向近乎平行时，化合物沿晶界进行大量迁移，此时晶界两侧的晶粒取向抑制原子扩散；反之，若两者垂直或是夹角较大时，化合物迁移的方向则主要取决于晶界两侧的晶粒取向。
　　在原位电迁移实验中，对比分析了凸点在电流加载前后界面处金属间化合物生长的极化现象，发现了电流的入口处与出口处是其高密度的电流聚集区，得出其阴极界面处颈部被拉长原因是颈部晶粒旋转的结果，通过EBSD技术详细表征了晶粒旋转的过程，并进一步分析了晶粒旋转的原因，即金属原子在高密度电子流的作用下向电阻最小的晶向进行重新排布，致使旋转后的晶格其β-Sn晶格的c轴方向均与电子流动方向垂直，又由于β-Sn晶格的a轴与b轴方向其原子间距大于c轴方向的原子间距，故晶粒旋转后凸点的颈部被明显拉长。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 实验器材与方法

2.1 实验材料及设备

2.3 试样制备

2.4 实验过程

2.5 本章小结

第3章 非原位电迁移中晶粒结构对IMC的影响

3.1 单晶结构对IMC迁移路径的影响

3.2 多晶结构对IMC迁移路径的影响

3.3 非原位电迁移IMC演变分析

3.4 SnAgCu焊点中的交错孪晶结构

3.5 交错孪晶结构对IMC迁移路径的影响

3.6 本章小结

第4章 原位电迁移中晶粒结构对IMC的影响

4.1 原位电迁移电流密度分析

4.2 原位电迁移中电流拥挤效应分析

4.3 原位电迁移IMC演变分析

4.4 电迁移中IMC生长动力学分析

4.5 原位电迁移引发的晶粒旋转现象分析

4.6 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢