無鉛焊點(diǎn)界面化合物及Kirkendall空洞實(shí)驗研究.pdf

1、由于Pb 元素具有毒性，各國相應(yīng)的法規(guī)禁止使用含鉛焊料，因此無鉛焊料的研究迫在眉睫。目前已經(jīng)有上百種無鉛焊料。Sn-3.5Ag系無鉛焊料具有高的力學(xué)性能和耐熱疲勞性，常用于高溫設(shè)備中，是目前最有可能替代Sn-Pb 釬料的合金。而在熱老化過程中，焊點(diǎn)界面IMCs 層的厚度增加將引起接頭的熱疲勞壽命、抗剪強(qiáng)度和斷裂韌性會減小。同時接頭電遷移失效問題也引起了廣泛的關(guān)注。本文根據(jù)設(shè)計了Cu/釬料（Sn-3.5Ag、Sn-3.5Ag-1.0Zn）

2、接頭用于熱老化實(shí)驗，Cu/ 釬料/Cu（Sn-3.5Ag、Sn-3.5Ag-1.0Zn）用于電遷移實(shí)驗。所得的試樣經(jīng)過冷鑲嵌、打磨拋光，采用SEM 分析了熱老化和電遷移階段接頭反應(yīng)界面微觀組織形貌及演變，界面相成分采用能譜儀EDX 分析。主要結(jié)論如下： 1.在熱老化實(shí)驗中，Sn-3.5Ag/Cu 界面反應(yīng)初生相為η-Cu6Sn5，在老化階段，Cu6Sn5 與Cu 之間新生成一層較薄的ε-Cu3Sn 層?；衔飳拥暮穸入S老化時間的

3、延長而增加。而對于Sn-3.5Ag-1.0Zn/Cu 界面初生相也為Cu6Sn5，熱化過程中，ε-Cu3Sn 并沒有出現(xiàn)，取而代之的是Cu5Zn8，化合物層的生長有所被抑制。 2.在電遷移過程中，互連接頭兩端電壓變化可分為四個階段，即迅速上升期、穩(wěn)定期、電壓波動期和繼續(xù)增大失效期。迅速上升期時間較短，幾分鐘電壓就能夠達(dá)到穩(wěn)定期。穩(wěn)定期期間，對應(yīng)著微型空洞的形成和轉(zhuǎn)移，為電遷移的孕育期，經(jīng)過短暫的波動期后，電壓迅速升高，最終導(dǎo)致電

4、遷移失效。 3. Sn-3.5Ag和Sn-3.5Ag-1.0Zn 焊料電遷移溫度為常溫，平均電流密度為1.0×103A/cm2和1.4×103A/cm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普遍認(rèn)為的電流門檻值1×104A/cm2，但是電遷移失效依然在負(fù)極的拐角處發(fā)生了。利用ANSYS模擬凸點(diǎn)中電流分布，發(fā)現(xiàn)了在陰陽極電子流入口附近電流密度達(dá)到了1.4×104A/cm2，而實(shí)驗觀察到的電遷移失效正好發(fā)生在該處，很好的說明了電流塞集引起了電遷移失效。

5、 4.由于電遷移的影響，IMCs生長出現(xiàn)明顯的極性效應(yīng)，Sn-3.5Ag和Sn-3.5Ag-1.0Zn 焊料凸點(diǎn)互連接頭正極界面的IMC 都是隨著電遷移進(jìn)行單調(diào)增長的；而負(fù)極界面的IMCs 都是隨電遷移進(jìn)行先增大后減小的，并且Sn-3.5Ag 焊料接頭是在5天時候IMCs 到達(dá)最大值，而Sn-3.5Ag-1.0Zn焊料接頭是在10天的時候到達(dá)最大值，同時同等條件下Sn-3.5Ag-1.0Zn焊料接頭的IMCs 都比Sn-3.5Ag 焊料

6、接頭的小，說明Zn 元素的加入有助于抑制凸點(diǎn)互連接頭IMCs 在電流載荷作用下的生長。 5. 熱場和電場條件下研究了界面Kirkendall空洞的形成和演變過程，對于Sn-3.5 Ag/Cu 界面，老化階段，Cu/Cu3Sn 界面的微空洞數(shù)量很少，而且增加不明顯。然而，在1×103 A/cm2 電流密度條件下，電流載荷會加速Cu/Cu3Sn 界面Kirkendall空洞的形成，并且明顯具有極性特征，即陽極Cu/Cu3Sn 界面K