Sn晶粒擴散各向異性對微焊點電遷移行為影響.pdf

1、隨著微電子封裝制造向微型化、高性能和無鉛化趨勢快速發(fā)展，焊點尺寸隨之持續(xù)減小，通過焊點的平均電流密度將明顯增加，電遷移已成為引起元器件失效的一個重要可靠性問題。同時微型化使焊點可能僅包含一個或數(shù)個Sn晶粒，而β-Sn具有明顯的擴散各向異性，因此亟待研究Sn晶粒取向?qū)ξ⑼裹c電遷移行為的影響機制。本論文以線性Cu/Sn3.0Ag0.5Cu(SAC305)/Cu、Cu/Sn/Ni和倒裝Ni/SAC305/Cu焊點為研究對象，原位觀察研究了Sn

2、晶粒取向?qū)ξ⑼裹c電遷移失效模式、陰極UBM溶解行為和金屬間化合物（Intermetallic Compound，IMC）析出等規(guī)律的影響，提出了Sn晶粒取向和陰極溶解量的關系模型，揭示了Sn晶粒擴散各向異性是焊點出現(xiàn)不同電遷移行為的本質(zhì)原因。
　　具體結論如下:
　　(1)線性Cu/SAC305（兩個Sn晶粒）/Cu焊點電遷移研究發(fā)現(xiàn):電遷移失效模式主要取決于陰極側Sn晶粒取向。當電子從θ(Sn晶粒c軸和電子流動方向之間的夾

3、角)小的Sn晶粒流向θ大的Sn晶粒時，失效模式表現(xiàn)為Cu基板大量溶解;溶解的Cu原子向陽極擴散的過程中被阻礙在晶界處，最終以Cu6Sn5 IMC在小θ的Sn晶粒中大量析出;然而當電子反向流動時，失效模式表現(xiàn)為界面空洞裂紋擴展，同時釬料內(nèi)部并沒有IMC的聚集析出。
　　(2)線性Cu/Sn（單晶）/Ni焊點電遷移研究發(fā)現(xiàn):Ni沿著Sn晶粒擴散表現(xiàn)出更為明顯的各向異性。當陰極Ni原子沿[001] Sn晶粒擴散時（θ約為0°），失效模式

4、表現(xiàn)為Ni基板顯著溶解;當陰極Ni原子沿[110] Sn晶粒擴散時（θ約為90°），Ni基板溶解受到明顯抑制，陽極IMC生長緩慢，表現(xiàn)出高的抗電遷移性能。
　　(3)倒裝Ni/SAC305/Cu焊點電遷移研究發(fā)現(xiàn):當Cu基板作為陰極時，主要存在陰極Cu基板溶解和空洞裂紋擴展兩種失效模式，這主要取決于陰極側Sn晶粒的θ，失效模式分析類似于線性微焊點。此外，模型計算表明Cu基板的溶解量與θ角呈拋物線規(guī)律減少。而當Ni基板作為陰極時，由

5、于界面穩(wěn)定連續(xù)(Cu,Ni)6Sn5層的保護作用和Ni在Sn中的溶解度低的原因，Ni基板未出現(xiàn)明顯的溶解現(xiàn)象，失效模式為陰極界面空洞裂紋擴展。Cu6Sn5類型IMC有選擇性地在小θ的Sn晶粒內(nèi)析出或沿著Sn晶粒的c軸方向析出。此外，原位觀察焊點微觀形貌發(fā)現(xiàn)電遷移過程中釬料將出現(xiàn)應力松弛現(xiàn)象-陽極Sn凸起、陰極釬料下凹和釬料內(nèi)IMC附近Sn擠出。
　　本論文基于原子擴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