互连焊点热电耦合下的电迁移行为研究

摘要

随着电子产品微型化趋势的不断推进，电迁移成为不可忽视的可靠性问题。微型化的推进迫使微焊点的尺寸不断减小，通过焊点中的电流密度持续增高，目前通过焊点的电流密度已经高达104A/cm2。另外，电子产品在无铅化过渡期间，势必存在着有铅和无铅的复合现象。目前对复合焊点的研究还停留在工艺和组织性能上，其电迁移可靠性的研究还存在空白。因此，对无铅焊点和复合焊点电迁移可靠性的研究具有重要意义。
　　本研究中首先对不同Ag含量的Sn-Ag-Cu无铅焊点在热电耦合条件下的电迁移行为进行了研究，重点讨论了Ag含量和温度等影响因素对焊点界面电迁移行为的影响，同时研究了电迁移对焊点力学性能的影响。随后对Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料和Sn-37Pb钎料复合焊点的电迁移行进行了研究，重点讨论了单一成分焊点和复合焊点电迁移中的界面行为，给出了界面IMC生长模型，并对焊点的电迁移平均失效时间进行了计算。研究结果表明，一定范围内Ag含量的增加，有效的提高了焊点的电迁移可靠性，温度对电迁移行为起到了促进作用。焊点基体中的β-Sn相具有强烈的各向异性，导致电迁移过程中流经β-Sn相的原子通量不平衡，晶粒发生旋转进而在焊点表明形成了晶界的凸起和凹陷。电迁移对焊点的拉伸性能具有明显影响，降低了焊点的拉伸强度，界面IMC的迁移削弱了界面和基板的结合强度，使焊点的断裂位置由钎料断裂向阴极界面断裂转变。在复合焊点电迁移行为的研究中，研究发现结构复合焊点中Sn-3.0Ag-0.5Cu网状共晶相在热电耦合的作用下发生粗化，并由阴极向阳极迁移。通电500h前，焊点阳极界面厚度没有明显的增加，通电超过500h后，Sn-3.0Ag-0.5Cu合金中大量的Cu6Sn5颗粒逐渐迁移至阳极界面，使其厚度快速增加。电迁移作用下，焊点阴极界面IMC厚度的变化受到其自身IMC厚度的影响，而阳极界面IMC的厚度受到钎料合金成分、焊点结构、通电时间和温度等多种因素的影响。通过有限元方法研究了焊点中电流密度分布和温度分布，结果表明，电流的加载方式对焊点中电流密度分布有明显影响，结构复合焊点的焦耳热生成介于有铅焊点和无铅焊点之间。Black方程计算结果表明，结构复合焊点的平均失效时间介于Sn-Ag-Cu焊点和Sn-37Pb焊点之间。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 电迁移的危害及研究进展

1.3 本文主要内容及技术路线

第2章 实验材料及方法

2.1 实验材料

2.2 试验方法

2.3 本章小结

第3章 Sn-Ag-Cu系互连焊点的电迁移可靠性

3.1 引言

3.2 不同银含量Sn-Ag-Cu合金互连焊点的电迁移行为

3.3 电迁移时间对界面金属间化合物厚度的影响

3.4 电迁移时间对钎料基体微观组织的影响

3.5 电迁移过程中应力松弛的现象

3.6 电迁移对互连焊点力学性能的影响

3.7 本章小结

第4章 复合焊点的电迁移可靠性

4.1 引言

4.2 复合焊点电迁移前的显微组织形貌

4.3 复合焊点在电迁移作用下的显微组织形貌

4.4 复合焊点在100℃等温时效下界面的衍变

4.5 复合焊点在等温时效下的生长行为

4.6 焊点界面在电迁移作用下的生长动力学

4.7 互连焊点电迁移可靠性的评估

4.8 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢