Sn晶粒扩散各向异性对微焊点电迁移行为影响

摘要

随着微电子封装制造向微型化、高性能和无铅化趋势快速发展，焊点尺寸随之持续减小，通过焊点的平均电流密度将明显增加，电迁移已成为引起元器件失效的一个重要可靠性问题。同时微型化使焊点可能仅包含一个或数个Sn晶粒，而β-Sn具有明显的扩散各向异性，因此亟待研究Sn晶粒取向对微凸点电迁移行为的影响机制。本论文以线性Cu/Sn3.0Ag0.5Cu(SAC305)/Cu、Cu/Sn/Ni和倒装Ni/SAC305/Cu焊点为研究对象，原位观察研究了Sn晶粒取向对微凸点电迁移失效模式、阴极UBM溶解行为和金属间化合物（Intermetallic Compound，IMC）析出等规律的影响，提出了Sn晶粒取向和阴极溶解量的关系模型，揭示了Sn晶粒扩散各向异性是焊点出现不同电迁移行为的本质原因。
　　具体结论如下:
　　(1)线性Cu/SAC305（两个Sn晶粒）/Cu焊点电迁移研究发现:电迁移失效模式主要取决于阴极侧Sn晶粒取向。当电子从θ(Sn晶粒c轴和电子流动方向之间的夹角)小的Sn晶粒流向θ大的Sn晶粒时，失效模式表现为Cu基板大量溶解;溶解的Cu原子向阳极扩散的过程中被阻碍在晶界处，最终以Cu6Sn5 IMC在小θ的Sn晶粒中大量析出;然而当电子反向流动时，失效模式表现为界面空洞裂纹扩展，同时钎料内部并没有IMC的聚集析出。
　　(2)线性Cu/Sn（单晶）/Ni焊点电迁移研究发现:Ni沿着Sn晶粒扩散表现出更为明显的各向异性。当阴极Ni原子沿[001] Sn晶粒扩散时（θ约为0°），失效模式表现为Ni基板显著溶解;当阴极Ni原子沿[110] Sn晶粒扩散时（θ约为90°），Ni基板溶解受到明显抑制，阳极IMC生长缓慢，表现出高的抗电迁移性能。
　　(3)倒装Ni/SAC305/Cu焊点电迁移研究发现:当Cu基板作为阴极时，主要存在阴极Cu基板溶解和空洞裂纹扩展两种失效模式，这主要取决于阴极侧Sn晶粒的θ，失效模式分析类似于线性微焊点。此外，模型计算表明Cu基板的溶解量与θ角呈抛物线规律减少。而当Ni基板作为阴极时，由于界面稳定连续(Cu,Ni)6Sn5层的保护作用和Ni在Sn中的溶解度低的原因，Ni基板未出现明显的溶解现象，失效模式为阴极界面空洞裂纹扩展。Cu6Sn5类型IMC有选择性地在小θ的Sn晶粒内析出或沿着Sn晶粒的c轴方向析出。此外，原位观察焊点微观形貌发现电迁移过程中钎料将出现应力松弛现象-阳极Sn凸起、阴极钎料下凹和钎料内IMC附近Sn挤出。
　　本论文基于原子扩散通量定量分析和揭示了Cu、Ni和Sn等原子沿Sn晶粒不同方向高的扩散各向异性是焊点出现不同电迁移行为的决定性因素。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 微电子封装技术概述

1．2 微电子封装技术发展趋势

1．2．1 微型化发展趋势

1．2．2 无铅化技术需求

1．2．3 Sn晶粒固有属性-各向异性

1．3 微型化引起的可靠性挑战-电迁移

1．3．1 电迁移物理机制

1．3．2 电迁移界面反应研究

1．3．3 电迁移导致的可靠性问题

1．4 电迁移和Sn晶粒取向相互作用研究进展

1．5 本论文研究目的和研究内容

2 样品制备与实验方法

2．1 线性焊点制备与电迁移测试

2．1．1 线性Cu／Sn3．0Ag0．5Cu／Cu与Cu／Sn／Ni焊点制备

2．1．2 线性Cu／Sn3．0Ag0．5Cu／Cu与Cu／Sn／Ni焊点电迁移实验

2．2 倒装焊点制备与电迁移测试

2．2．1 倒装Ni／Sn3．0Ag0．5Cu／Cu焊点制备

2．2．2 倒装Ni／Sn3．0Ag0．5Cu／Cu焊点原位电迁移实验

2．3 微观形貌与成分及取向表征

3 线性Cu／SAC305(Sn)／Cu(Ni)微焊点电迁移行为

3．1 引言

3．2 Cu／SAC305／Cu焊点

3．2．1 初始焊点的微观形貌

3．2．2 1#、2#和3#Cu／SAC305／Cu焊点电迁移微观组织演变

3．2．3 Sn晶粒取向对电迁移失效模式的影响

3．3 Cu／Sn／Ni焊点

3．3．1 初始焊点微观形貌

3．3．2 Cu／[001]Sn／Ni和Cu／[110]Sn／Ni焊点电迁移微观组织演变

3．3．3 Sn晶粒取向对阴极Ni基板溶解行为的影响

3．4 本章小结

4 倒装Ni／SAC305／Cu焊点电迁移行为

4．1 引言

4．2 倒装Ni／SAC305／Cu焊点初始形貌

4．3 倒装Ni／SAC305／Cu焊点电迁移微观形貌演变

4．3．1 电子从Cu基板流向Ni UBM

4．3．2 电子从Ni UBM流向Cu基板

4．4 阴极Cu基板溶解和Sn晶粒取向之间的关系模型

4．5 Cu6Sn5类型IMC的析出与分布机制

4．5．1 焊点中含多个晶粒

4．5．2 焊点只含一个晶粒

4．5．3 焊点内部IMC分布

4．6 应力松弛现象-Sn凸起或晶须

4．7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢