纯锡覆层晶须生长及无铅焊点电迁移的研究

摘要

本文以电子封装的无铅材料为对象，分别采用试验、理论分析、数值模拟和数学推导的方法系统研究了纯Sn 覆层在温度循环条件下的晶须生长机理，高温(160°C)和高电流密度(2.2×104A/cm2)、室温(25°C)和较低电流密度(0.4×104A/cm2)条件下无铅焊点的电迁移机理，得到以下主要研究结论： 在温度循环条件下，锡须从镀层表面裂纹处生长，其密度与表面裂纹的数量有关，其长度与循环次数有关。不同电镀酸液配方通过影响镀层微观结构来促进锡须生长，Mix 酸液的镀层锡须生长密度高于MSA 酸液的2～3个数量级，前者的锡须长度大于后者的锡须长度；表面裂纹越多，锡须生长的密度速率越高。随着循环次数的增加，生长快的锡须长度速率下降、生长慢的锡须长度速率上升，所有锡须的长度有逐渐趋于一致的态势。Cu6Sn5的楔形生长及迁移包含了三个阶段：Cu6Sn5 在Cu-Sn 界面处的生长，Sn 大晶粒的分割及小晶粒的再结晶，Cu6Sn5 沿Sn 晶粒的晶界迁移。镀层中的晶粒层数越多、晶粒尺寸越小、其晶界也越多，越有利于松弛内部压应力、抑制锡须生长。晶粒的取向为低指数(101)、(112)、(220)和(211)晶面时，镀层不容易生长锡须；晶粒的取向为高指数(321)和(312)晶面时，镀层容易生长锡须。 低指数晶面的晶界是大角度晶界(>15°)，能提供更多的空位以松弛内部压应力；锡须生长使镀层的晶粒取向由高指数晶面和较小角度晶界转变为低指数晶面和大角度晶界。不同材料的热膨胀系数和杨氏模量差异导致在氧化膜内产生热应力；水平的热应力会产生一个垂直于氧化膜的切应力分量形成对氧化膜晶界的剪切，加剧应力集中、削弱晶界强度、产生沿晶裂纹。镀层表面越粗糙，垂直于氧化膜的切应力分量越大，表面裂纹和锡须生长也越多。镀层的致密度可以用于评估镀层表面裂纹生长的趋势，致密度越高的镀层表面裂纹越少、锡须生长越少。 在电迁移过程中，焊点阴极界面的IMC 长大、剥落和迁移，形成IMC的极性生长和演化。阴极UBM 耗尽后Cu 层开始溶解，Cu 层附近区域IMC为Cu6Sn5，焊料中阴极附近区域IMC为Ni3Sn4；迁移到阳极IMC为(Cux,Ni1-x)6Sn5。高温/高电流密度条件下的电迁移包含了初始、空洞扩展和快速失效三个阶段；室温和较低平均电流密度条件下的电迁移只发现了初始和快速失效两个阶段，空洞扩展阶段不显著。 初始和空洞扩展阶段经历的时间很长，快速失效阶段经历的时间很短。在高温/高电流密度条件下，大空洞在阴极界面形成和扩展，与IMC 迁移的方向垂直；其驱动力为IMC形成时体积缩小产生的拉应力和转角处电流聚集产生的由内侧向外侧的应力梯度。在室温/较低电流密度条件下，焊点阴极界面没有发现大块IMC和空洞，焊点内部的IMC数量和尺寸都很小。在电迁移初始阶段，界面反应是准平衡态的可逆过程；在电迁移快速失效阶段，界面反应是非平衡态的不可逆过程。当0.4TmTm，界面反应主要为固/液界面反应，浓度梯度引起的原子迁移和温度梯度引起的热迁移是原子迁移的主要方式。数值模拟表明，电流密度聚集是产生电迁移失效的根本原因，焊点的实际温度低于100°C，避免了高温下原子热扩散对电迁移的干扰。不均匀的温度分布产生较大的热应力，由于Ni/Cu 层在XY 平面受到约束，因此变形主要在Z方向；热应力越大的焊点其变形量也越大。 电迁移条件下，焊点的Ni-Sn 扩散偶中存在两种扩散组元：Sn(A组元)和Ni(B组元)。根据唯象方程，推导出试验条件下阴极和阳极扩散反应区的不同原子净流量和界面IMC的生长速率表达式。焊点中阴极界面IMC生长速率比阳极更快；不同焊点的温度差异引起了阴极界面的原子净流量和IMC的生长速率差异，导致不同焊点的电迁移程度差异。根据焊点中阴极和阳极温度、不同组元的浓度C和扩散系数D差别不大的假设，建立了阴极和阳极IMC 厚度之差及厚度之和与不同原子迁移力的表达式。Sn的热迁移力比其电迁移力小两个数量级、比Ni的电迁移力小一个数量级；Ni的应力迁移力约为其电迁移力的几分之一；Sn的电迁移力比Ni的电迁移力大，二者都在同一个数量级(10-17N)水平。IMC中Ni的扩散系数与Sn和Ni的浓度梯度迁移力相关，是一个取决于温度和试验条件的参数；此外，二者的浓度梯度迁移力的大小约为10-16N数量级，略高于电迁移力。因此；电迁移力和浓度梯度迁移力是IMC生长的主要驱动力。