微互連焊點(diǎn)液-固電遷移行為與機(jī)理研究.pdf

1、隨著電子封裝技術(shù)向微型化、高性能的方向發(fā)展，電遷移已成為引起電子元器件中焊點(diǎn)失效的重要可靠性問(wèn)題。微型化使得焊點(diǎn)尺寸持續(xù)減小到微米尺度且通過(guò)微焊點(diǎn)的電流密度持續(xù)增加，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的焦耳熱現(xiàn)象，液-固電遷移的研究具有重要的理論意義與工程應(yīng)用價(jià)值。本論文利用同步輻射實(shí)時(shí)成像技術(shù)原位表征了Sn-58(wt.％)Bi、Sn-37(wt.％)Pb、Sn-52(wt.％)In和Sn-9(wt.％)Zn微焊點(diǎn)的液-固電遷移行為;修正了計(jì)算液態(tài)金屬原子

2、有效電荷數(shù)Z*的理論模型，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相接近，揭示并闡明了電遷移驅(qū)動(dòng)原子定向擴(kuò)散的物理機(jī)制;進(jìn)而在技術(shù)上提出一種電流驅(qū)動(dòng)鍵合(CurrentDriven Bonding，CDB)微互連的新方法，并成功制備了具有工程應(yīng)用價(jià)值的高熔點(diǎn)單一擇優(yōu)取向全金屬間化合物(Intermetallic Compound，IMC)焊點(diǎn)。論文主要研究結(jié)果總結(jié)如下:
　　1.Sn-58Bi微焊點(diǎn)液-固電遷移研究表明:在微焊點(diǎn)加熱熔化階段，Bi原子

3、向陽(yáng)極定向遷移并發(fā)生聚集，聚集厚度與時(shí)間成正比;在保溫階段，陽(yáng)極聚集的Bi原子又開(kāi)始向陰極擴(kuò)散，最終釬料內(nèi)部形成三相平衡組織;在冷卻凝固階段，Bi原子再次向陽(yáng)極定向遷移，直至富Sn相和富Bi相完全分離。在Sn-37Pb微焊點(diǎn)液-固電遷移過(guò)程中Pb原子具有相類(lèi)似的擴(kuò)散遷移規(guī)律。建立了基于原子擴(kuò)散聚集動(dòng)力學(xué)和物質(zhì)擴(kuò)散平衡機(jī)制的計(jì)算原子有效電荷數(shù)Z*的理論模型，計(jì)算獲得Bi原子在140℃時(shí)的有效電荷數(shù)Z*為-5.50±0.2,Pb原子在185

4、℃時(shí)的有效電荷數(shù)Z*為-3.20±0.2。利用Bi和Pb原子特殊的電遷移擴(kuò)散遷移行為，可以實(shí)現(xiàn)Sn基合金中Bi和Pb雜質(zhì)元素的提純。
　　2.Sn-52In微焊點(diǎn)液-固電遷移研究表明:與Sn-52In微焊點(diǎn)固-固電遷移條件下Sn原子優(yōu)先遷移至陽(yáng)極，產(chǎn)生的背應(yīng)力驅(qū)使In原子遷移至陰極，最終導(dǎo)致富Sn相和富In相分離的現(xiàn)象不同;液-固電遷移條件下，由于沒(méi)有背應(yīng)力且In原子的有效電荷數(shù)Z*為負(fù)值，導(dǎo)致In原子向陽(yáng)極遷移并參與界面反應(yīng)，從

5、而使界面IMC生長(zhǎng)呈現(xiàn)出明顯的“極性效應(yīng)”，陰極Cu基體（例如Cu）在液-固電遷移條件下的溶解速率比其在固-固電遷移條件下大3個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　3.Sn-9Zn微焊點(diǎn)液-固電遷移研究表明:界面IMC的生長(zhǎng)呈現(xiàn)出明顯的“反極性效應(yīng)”，即陰極界面IMC的生長(zhǎng)速率明顯大于陽(yáng)極界面IMC的生長(zhǎng)速率;揭示了“反極性效應(yīng)”是由于Zn原子的有效電荷數(shù)Z*為正值(+0.63)所導(dǎo)致;Zn原子的“反極性效應(yīng)”可有效抑制陰極基體的溶解，顯著提高微焊點(diǎn)的

6、抗電遷移壽命。技術(shù)上提出了抗電遷移微焊點(diǎn)成分優(yōu)化設(shè)計(jì)的新方案。
　　4.單晶(001)Cu/Sn/多晶Cu微焊點(diǎn)液-固電遷移研究表明:在定向通電條件下，單晶(001) Cu基體上棱晶狀Cu6Sn5 IMC晶粒保持擇優(yōu)取向并加速生長(zhǎng)，其生長(zhǎng)速率達(dá)到4μm/min，是無(wú)電流驅(qū)動(dòng)下IMC晶粒生長(zhǎng)速率的20倍。在技術(shù)上提出了一種電流驅(qū)動(dòng)鍵合(CDB)微互連的新方法，實(shí)現(xiàn)了單一擇優(yōu)取向全Cu6Sn5 IMC焊點(diǎn)的制備，此微焊點(diǎn)具有單一晶體取