本文關(guān)鍵詞：Sn晶粒擴(kuò)散各向異性對(duì)微焊點(diǎn)電遷移行為影響

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【摘要】：隨著微電子封裝制造向微型化、高性能和無(wú)鉛化趨勢(shì)快速發(fā)展,焊點(diǎn)尺寸隨之持續(xù)減小,通過(guò)焊點(diǎn)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(gè)重要可靠性問(wèn)題。同時(shí)微型化使焊點(diǎn)可能僅包含一個(gè)或數(shù)個(gè)Sn晶粒,而β-Sn具有明顯的擴(kuò)散各向異性,因此亟待研究Sn晶粒取向?qū)ξ⑼裹c(diǎn)電遷移行為的影響機(jī)制。本論文以線性Cu/Sn3.0Ag0.5Cu (SAC305)/Cu、Cu/Sn/Ni和倒裝Ni/SAC305/Cu焊點(diǎn)為研究對(duì)象,原位觀察研究了Sn晶粒取向?qū)ξ⑼裹c(diǎn)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(guān)系模型,揭示了Sn晶粒擴(kuò)散各向異性是焊點(diǎn)出現(xiàn)不同電遷移行為的本質(zhì)原因。具體結(jié)論如下：(1)線性Cu/SAC305(兩個(gè)Sn晶粒)/Cu焊點(diǎn)電遷移研究發(fā)現(xiàn)：電遷移失效模式主要取決于陰極側(cè)Sn晶粒取向。當(dāng)電子從θ(Sn晶粒c軸和電子流動(dòng)方向之間的夾角)小的Sn晶粒流向θ大的Sn晶粒時(shí),失效模式表現(xiàn)為Cu基板大量溶解；溶解的Cu原子向陽(yáng)極擴(kuò)散的過(guò)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(dāng)電子反向流動(dòng)時(shí),失效模式表現(xiàn)為界面空洞裂紋擴(kuò)展,同時(shí)釬料內(nèi)部并沒(méi)有IMC的聚集析出。(2)線性Cu/Sn(單晶)/Ni焊點(diǎn)電遷移研究發(fā)現(xiàn)：Ni沿著Sn晶粒擴(kuò)散表現(xiàn)出更為明顯的各向異性。當(dāng)陰極Ni原子沿[001]Sn晶粒擴(kuò)散時(shí)(θ約為0。),失效模式表現(xiàn)為Ni基板顯著溶解；當(dāng)陰極Ni原子沿[110]Sn晶粒擴(kuò)散時(shí)(θ約為90。),Ni基板溶解受到明顯抑制,陽(yáng)極IMC生長(zhǎng)緩慢,表現(xiàn)出高的抗電遷移性能。(3)倒裝Ni/SAC305/Cu焊點(diǎn)電遷移研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)Cu基板作為陰極時(shí),主要存在陰極Cu基板溶解和空洞裂紋擴(kuò)展兩種失效模式,這主要取決于陰極側(cè)Sn晶粒的θ,失效模式分析類似于線性微焊點(diǎn)。此外,模型計(jì)算表明Cu基板的溶解量與θ角呈拋物線規(guī)律減少。而當(dāng)Ni基板作為陰極時(shí),由于界面穩(wěn)定連續(xù)(Cu,Ni)6Sn5層的保護(hù)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(kuò)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(diǎn)微觀形貌發(fā)現(xiàn)電遷移過(guò)程中釬料將出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象-陽(yáng)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(kuò)散通量定量分析和揭示了Cu、Ni和Sn等原子沿Sn晶粒不同方向高的擴(kuò)散各向異性是焊點(diǎn)出現(xiàn)不同電遷移行為的決定性因素。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN405

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