【摘要】：隨著人們對環(huán)境和健康問題的日益關注,電子產(chǎn)品中Pb的使用受到有效限制,國內外學者開始了大量無鉛釬料的探索,其中Sn-58Bi以其低熔點、成本和熱膨脹系數(shù)而在低溫封裝中受到廣泛關注。電子產(chǎn)品的封裝密度不斷增加,導致通過焊點的電流密度不斷提高,目前已經(jīng)高達106A/cm2,在如此高的電流密度下,焊點很容易發(fā)生失效。本文在Cu/Sn-58Bi/Cu線性焊點研究基礎上,進一步研究了電遷移作用下Sn-58Bi/Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305)兩種釬料構成的結構復合焊點和成分復合焊點的界面反應及抑制機理;另外,在Cu基板中加入一定含量的Zn元素,研究Cu-Zn基板對Sn-58Bi電遷移性能的影響。Cu/Sn-58Bi/Cu線性焊點在常溫、電流密度大小為1×104A/cm2固/固電遷移過程中,表面隨著原子的遷移出現(xiàn)凸起裂紋,隨著時間的推移,在陽極界面處形成Sn晶須,陰極出現(xiàn)拉裂紋。對于焊點內部而言,Bi原子不斷遷往陽極,在陽極形成富Bi層。溫度對原子遷移的影響至關重要,50℃下陽極富Bi層的厚度是常溫下富Bi層厚度的4.5倍。在高電流(24A)下的液/固電遷移中,陽極界面生成大量的棒狀金屬間化合物(IMC),隨著通電時間的延長不斷長大,表現(xiàn)為“熟化現(xiàn)象”;陰極界面Cu原子不斷消耗,界面變得凹凸不平。在高溫低電流密度(150℃,5×103A/cm2)的液/固電遷移中,陰極和陽極界面IMC的生長速率分別高于固/固電遷移中界面IMC的生長速率,且陰極界面IMC厚度要高于陽極界面IMC厚度。結構復合焊點能夠實現(xiàn)低溫連接,回流后焊點連接性良好,在電遷移過程中,與Cu/Sn-58Bi/Cu相比,富Bi層厚度和兩極界面IMC厚度都要更小,說明中間SAC305層對Bi原子和Cu原子的遷移都起到阻礙作用。陰極側Sn-58Bi中的Bi原子從SAC305邊緣遷往陽極側Sn-58Bi中,Bi在結構復合焊點中的遷移具有“集膚效應”。陽極側的Sn-58Bi/SAC305界面附近的Bi原子在電遷移過程中逐漸遠離SAC305,而陰極側的Sn-58Bi/SAC305界面附近的Bi原子逐漸靠近SAC305。兩種成分復合焊點中,Ag含量的高低對電遷移影響很大,Ag含量越高,對遷移的阻礙作用越明顯。成分復合焊點中兩極界面IMC隨通電時間的延長而不斷增長,但是增長速率緩慢,這是由于Ag3Sn對原子遷移的阻礙作用,且隨著時間的推移,在陽極界面處沒有連續(xù)的富Bi層的出現(xiàn)。對于Cu-xZn/Sn-58Bi/Cu-xZn(x=2.29wt.%和4.89wt.%)線性焊點,Zn元素的添加可以有效減少表面Sn晶須和裂紋產(chǎn)生。在常溫固/固電遷移中,Zn元素的添加可以改變電遷移中的擴散主元,在一定程度上降低Bi原子的擴散速率,而提高Cu原子擴散速率。在液/固電遷移中,高電流密度引起的陽極IMC“熟化現(xiàn)象”明顯,熱電耦合陽極IMC厚度要明顯高于陰極IMC厚度。
【圖文】：

且電流密度越大，，相粗化現(xiàn)象越明顯。另外，在電的情況下，在陰極會有柯肯達爾孔洞的形成，這會嚴重影響焊點19]研究了純 Sn 在不同電流密度下的電遷移現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)電流的長，高電流密度下界面化合物的生長速率要明顯高于低電流密度外，在他們的研究中，他們發(fā)現(xiàn)陽極化合物的生長速率要高于，陰極化合物的厚度增長到一定時間后就開始溶解減小。在 Chu/Sn-Ag-Cu/Au/Cu 焊點的電遷移行為進行了研究，高電流密度提高 Cu6Sn5的生成速率[20]。陰極和陽極由于原子擴散方向及速Cs 化合物增長速率不同，初始階段陰極厚度要大于陽極厚度[21，而陰極化合物厚度則先增大后減小，呈拋物線規(guī)律。然而，04A/cm2數(shù)量級電流密度在不同溫度下對Cu/Sn-3.8Ag-0.7Cu/Cu況，如圖 1.1 所示。從圖 1.1 可以看出，電流的增加明顯增加了極界面化合物的生長都符合拋物線規(guī)律，陰極界面化合物的厚流密度越大，陽極化合物增長速率越快，同時，陰極界面化合(a)(b)

江蘇科技大學工學碩士學位論文度下（104A/cm2、1.2×104A/cm2、1.4×104A/cm2），He 等人[32]發(fā)現(xiàn)在電子場的作用極界面 IMCs 的厚度逐漸變大，但是陽極生成的富 Bi 層阻礙了陽極界面 IMCs 的，陽極 IMCs 生長速率緩慢，導致陰陽兩極化合物出現(xiàn)明顯差距。Gu 等人[33]研究u/Sn-58Bi/Cu 焊點在低電流密度（5×103A/cm2）、不同溫度下原子的遷移，35℃陽陰極界面如圖 1.2 所示，其中亮色的是富 Bi 相，灰色的是富 Sn 相，通電 480 h 陽極形成富 Bi 層。當環(huán)境溫度提高到 75℃時，通電 480h 后，陽極富 Bi 層厚度增加，陰極出現(xiàn)了明顯的富 Sn 層，并有孔洞出現(xiàn)，孔洞可能發(fā)展為裂紋源，嚴重焊點可靠性，可見環(huán)境溫度對原子電遷移有明顯的影響。此外，當焊點在熱遷移遷移同時作用時，電遷移和熱遷移都會影響 IMCs 的生長及原子遷移。當其方向時，原子的遷移會增強及反應，反之則會減弱[34, 35]。電遷移對化合物層、Bi 層及粗化等的影響都直接影響焊點接頭強度，使焊點由原先的釬料處韌性斷裂轉變?yōu)樘幍拇嘈詳嗔选?
【學位授予單位】：江蘇科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN40

【參考文獻】

相關期刊論文 前5條

1 馬東亮;吳萍;;液態(tài)時效條件下Zn元素的添加對共晶Sn-58Bi焊料力學性能的影響（英文）[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2015年04期

2 岳武;秦紅波;周敏波;馬驍;張新平;;結構變化對Cu/Sn-58Bi/Cu微焊點電遷移行為和組織演變的影響[J];金屬學報;2012年06期

3 何洪文;徐廣臣;郭福;;熔融狀態(tài)下共晶SnBi釬料的電遷移特性[J];稀有金屬材料與工程;2010年S1期

4 尹立孟;張新平;;電遷移致無鉛釬料微互連焊點的脆性蠕變斷裂行為[J];電子學報;2009年02期

5 吳豐順,張金松,吳懿平,鄭宗林,王磊,譙鍇;集成電路互連引線電遷移的研究進展[J];半導體技術;2004年09期

本文編號：2560544