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微互连焊点电迁移失效机理研究

作　者: 秦敬凯
导　师: 田艳红
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 电迁移极性效应晶粒取向有限元
分类号: TN405
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

电子器件的多功能化、高性能、小尺寸等发展需求促进了高密度封装模式快速发展，单个IC裸芯片上的I/O引脚数量急剧增加，焊点尺寸下降，使通过焊点的平均电流密度大大增加，达到10⁴A/cm²的数量级，引起焊点的电迁移失效。微小焊点中的晶粒个数十分有限，而β-Sn具有强烈的各向异性，因此研究有限晶粒焊点的电迁移可靠性是一个非常值得探讨的科学问题。本文对微互连焊点的电迁移失效机制进行了系统研究。首先分析了BGA结构焊点在热载荷和电流载荷下的失效机制及界面IMC和组织的的演化规律；然后采用EBSD对Sn3.0Ag0.5Cu和Sn0.7Cu的晶粒特征进行了分析，研究了电迁移失效特征和晶粒取向的关系；最后对BGA结构的焊点中电迁移的散度进行了计算，并分析了材料属性，结构参数对电迁移散度的影响。研究结果表明：电流载荷下，凸点中存在电流塞积，界面IMC生长具有极性效应，阴极IMC层快速溶解，Cu和Ni原子大量溢出导致阴极焊盘出现凹陷，最终形成断路失效，阳极大量树枝状（CuNi）6Sn5富集；阴极界面存在IMC生长和分解的平衡，电流密度较大时，IMC分解速度大于生长速度，厚度减小，电流密度较小时，电子风提供能量减低，IMC分解作用减缓，厚度增加；原子的定向移动会使焊点中建立起应力梯度，加速了Cu/Cu₃Sn界面的Cu大量的向钎料基体溢出，促使了阳极Kirkendall空洞的形成； Pb在电子风力作用下向阳极迁移形成富集，同时Sn向相反方向移动，在阴极形成富集；对接Sn0.7Cu接头中含有多个晶粒，电迁移失效机制与阴极界面处Sn晶粒取向有关，晶粒的C轴与电流方向平行，Cu原子向阳极扩散加剧，阴极IMC迅速溶解同时焊盘出现凹陷，界面前沿产生裂纹；Sn3.0Ag0.5Cu对接接头通常得到存在片层状孪晶结构的单晶焊点，且β-Sn处于Cu原子扩散的“差取向”，阴极IMC分解缓慢；通电后，Sn晶粒数量增多尺寸减小，孪晶取向关系减弱，晶粒间取向差角变均匀；通电BGA焊点中，电子迁移的程度要大于温度迁移和应力迁移， SnPb相比SnAgCu焊点更容易迁移，引线宽度减小，电流塞积因子增大，产生焦耳热增多，焊点温度升高，电流迁移和热迁移的最大值也相应增大；焊点尺寸增加，最大电流密度减小，焊点温度降低，焊点越不易发生电迁移失效。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-18
  1.1 课题背景及研究目的  9-10
  1.2 国内外的研究现状  10-17
    1.2.1 电迁移物理  10-11
    1.2.2 电流载荷下焊点组织演化  11-13
    1.2.3 晶粒取向对电迁移的影响机制  13-15
    1.2.4 电迁移的数值模拟研究  15-17
  1.3 本文的主要研究内容  17-18
第2章材料及实验方法  18-25
  2.1 实验过程概述  18
  2.2 实验材料、设备和试样制备  18-21
    2.2.1 实验材料  18
    2.2.2 实验设备  18-19
    2.2.3 BGA 凸点试样的制备  19-20
    2.2.4 Cu-钎料-Cu 三明治试样制备  20-21
  2.3 实验方法  21-24
    2.3.1 焊点电迁移失效研究  21
    2.3.2 界面 IMC 厚度测量方法  21-22
    2.3.3 EBSD 试样制备及测试  22-24
  2.4 本章小结  24-25
第3章电热耦合场下 BGA 焊点失效分析  25-44
  3.1 热载荷下焊点失效分析  25-29
  3.2 电流载荷下焊点失效分析  29-43
    3.2.1 电流载荷下焊点的组织演化  29-33
    3.2.2 Kirkendall 空洞  33-35
    3.2.3 金属间化合物生长动力学  35-41
    3.2.4 富 Pb 相的重分布  41-43
  3.3 本章小结  43-44
第4章无铅对接焊点电迁移失效分析  44-65
  4.1 对接焊点组织及界面形貌  44-51
    4.1.1 材料对组织的影响  44-47
    4.1.2 晶粒特征分析  47-51
  4.2 电流载荷下焊点微观组织演化  51-64
    4.2.1 电迁移寿命  51
    4.2.2 Sn0.7Cu 焊点电迁移失效  51-60
    4.2.3 Sn3.0Ag0.5Cu 焊点电迁移失效  60-64
  4.3 本章小结  64-65
第5章 BGA 结构电迁移有限元模拟  65-81
  5.1 电迁移数学模型  65-67
  5.2 BGA 结构电迁移散度计算  67-80
    5.2.1 BGA 结构模型  67-69
    5.2.2 电迁移散度计算  69-74
    5.2.3 材料的影响  74-75
    5.2.4 引线尺寸影响  75-77
    5.2.5 焊点尺寸的影响  77-80
  5.3 本章小结  80-81
结论  81-83
参考文献  83-87
攻读学位期间发表的学术论文  87-89
致谢  89

微互连焊点电迁移失效机理研究

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