微互連焊點液-固電遷移行為與機理研究.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失效的重要可靠性問題。微型化使得焊點尺寸持續(xù)減小到微米尺度且通過微焊點的電流密度持續(xù)增加，從而導(dǎo)致嚴重的焦耳熱現(xiàn)象，液-固電遷移的研究具有重要的理論意義與工程應(yīng)用價值。本論文利用同步輻射實時成像技術(shù)原位表征了Sn-58(wt.％)Bi、Sn-37(wt.％)Pb、Sn-52(wt.％)In和Sn-9(wt.％)Zn微焊點的液-固電遷移行為;修正了計算液態(tài)金屬原子

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

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

4、℃時的有效電荷數(shù)Z*為-3.20±0.2。利用Bi和Pb原子特殊的電遷移擴散遷移行為，可以實現(xiàn)Sn基合金中Bi和Pb雜質(zhì)元素的提純。
　　2.Sn-52In微焊點液-固電遷移研究表明:與Sn-52In微焊點固-固電遷移條件下Sn原子優(yōu)先遷移至陽極，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，由于沒有背應(yīng)力且In原子的有效電荷數(shù)Z*為負值，導(dǎo)致In原子向陽極遷移并參與界面反應(yīng)，從

5、而使界面IMC生長呈現(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個數(shù)量級。
　　3.Sn-9Zn微焊點液-固電遷移研究表明:界面IMC的生長呈現(xiàn)出明顯的“反極性效應(yīng)”，即陰極界面IMC的生長速率明顯大于陽極界面IMC的生長速率;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，顯著提高微焊點的

6、抗電遷移壽命。技術(shù)上提出了抗電遷移微焊點成分優(yōu)化設(shè)計的新方案。
　　4.單晶(001)Cu/Sn/多晶Cu微焊點液-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，其生長速率達到4μm/min，是無電流驅(qū)動下IMC晶粒生長速率的20倍。在技術(shù)上提出了一種電流驅(qū)動鍵合(CDB)微互連的新方法，實現(xiàn)了單一擇優(yōu)取向全Cu6Sn5 IMC焊點的制備，此微焊點具有單一晶體取