【摘要】：電子產(chǎn)品集成化、小型化的市場需求,使得倒裝微互連凸點等高密度封裝技術(shù)得以快速發(fā)展。倒裝凸點因其細(xì)節(jié)距、微尺寸和超高I/O密度,而廣泛應(yīng)用于汽車電子、航空航天等高可靠電子產(chǎn)品。但隨著凸點尺寸的不斷縮小和功耗的增加,使得承載的電流密度上升和IMC層體積分?jǐn)?shù)增加,引發(fā)新的熱、電、機械等可靠性問題。因此,開展凸點互連結(jié)構(gòu)在熱電應(yīng)力下的可靠性研究,是電子產(chǎn)品高可靠性迫切需要解決的問題。論文以一級封裝中的銅柱凸點互連和二級封裝中的混合焊料凸點互連為對象,開展微觀組織、電學(xué)性能、失效機理分析以及物理模型構(gòu)建和可靠性評價技術(shù)研究,針對典型產(chǎn)品,開展基于Pb含量和凸點結(jié)構(gòu)的混合焊料凸點優(yōu)化設(shè)計,實現(xiàn)基于失效物理的可靠性評價,為國產(chǎn)高可靠應(yīng)用的微互連電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計和評價提供依據(jù)。論文開展的主要工作和取得的主要創(chuàng)新成果如下:1.以Cu/solder/Cu互連結(jié)構(gòu)為對象,基于Cu原子擴散通量守恒原理,考慮電子風(fēng)力、Cu原子擴散、溶解等三種物理機制對Cu原子遷移和IMC層生長的影響,推導(dǎo)構(gòu)建了熱電應(yīng)力下金屬間化合物生長的動力學(xué)模型。模型顯示,在熱電綜合應(yīng)力條件下,互連界面IMC層的生長呈現(xiàn)出顯著極性差異。2.基于熱電可靠性試驗、紅外熱像和微觀組織分析方法,研究了Cu/Ni/SnAg1.8/Cu倒裝銅凸點在125℃、3×10~4A/cm~2等9組熱電應(yīng)力下的界面行為、壽命分布、失效機理及其影響因素,發(fā)現(xiàn)熱電應(yīng)力下,銅柱凸點互連主要存在Cu焊盤溶解、層狀空洞、陰極鎳鍍層侵蝕和Cu_3Sn合金化4種失效模式。銅柱凸點開裂失效可分為Cu_6Sn_5生長和Sn焊料消耗、Cu_3Sn轉(zhuǎn)化生長、空洞形成及裂紋擴展3個階段�；贐lack方程和紅外熱像分析,量化了焦耳熱效應(yīng)的影響,構(gòu)建了考慮焦耳熱效應(yīng)的銅柱凸點互連熱電可靠性模型。結(jié)果表明:熱電應(yīng)力下,原子的擴散受電子風(fēng)力主導(dǎo),單一高溫應(yīng)力下,原子擴散受溫度梯度主導(dǎo),相比單一高溫應(yīng)力,熱電綜合應(yīng)力顯著加速并改變了銅柱互連IMC層的生長行為和失效機制。3.突破不同鉛含量的混合焊料凸點制備技術(shù)和焊料凸點凝固行為、力學(xué)性能、微觀組織分析評價技術(shù),明確了混合焊料凸點在熱電應(yīng)力下的主要失效模式,提出了具有較佳綜合性能的混合焊料鉛含量比例。分析了混合焊料凸點開裂失效的微觀機理,包括金屬間化合物極性生長、Sn/Pb偏析、空洞擴展等�？紤]電流聚集和焦耳熱的影響,對black電遷移可靠性模型進行修正,獲得混合焊料凸點的熱電可靠性模型。針對混合焊料凸點的熱疲勞失效機理,基于Engelmaier方程,構(gòu)建了混合焊料凸點的熱疲勞壽命預(yù)測模型,為混合焊料凸點的高可靠性設(shè)計和評價提供科學(xué)理論依據(jù),解決高可靠應(yīng)用中混合焊料凸點工藝可靠性設(shè)計無基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐的問題。4.提出將失效物理模型和可靠性數(shù)學(xué)方法融合的微互連電子組件可靠性綜合評價方法,實現(xiàn)了基于失效物理的可靠性評價工具軟件的國產(chǎn)化,解決了微互連電子組件可靠性綜合評價難題,將基于失效物理的可靠性評價方法從基礎(chǔ)研究推向了工程應(yīng)用層面。5.論文提出的技術(shù)方法和取得研究成果,已在國家重大工程中得到了應(yīng)用。針對某型號微互連電子組件,給出了4.67%wt的極佳Pb含量材料優(yōu)化結(jié)果和焊點結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化結(jié)果,使關(guān)鍵焊點的最大等效應(yīng)力下降18.85%,利用可靠性評價工具軟件,開展了任務(wù)剖面下的可靠性預(yù)測,預(yù)測獲得的平均失效時間為18890小時,滿足平均失效時間大于10000小時的產(chǎn)品可靠性指標(biāo)要求,實現(xiàn)了基于工程應(yīng)用的可靠性綜合評價。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN405
【圖文】：

第一章 緒 論開始受到國內(nèi)封裝技術(shù)領(lǐng)域的高度關(guān)注，將是繼引線鍵合和焊料凸點 IC 封裝的主流技術(shù)[34]。柱形銅凸點通常由基體的銅柱和焊料帽構(gòu)成0μm 之間，并正在向直徑 20~30μm 快速發(fā)展)，通過焊料帽與基板互作為倒裝芯片封裝中新一代的互連方式，改變了傳統(tǒng)的焊料倒裝凸點的封裝尺寸，具有細(xì)節(jié)距、微尺寸、超高 I/O 密度等優(yōu)點。如圖 1-1料凸點和銅柱凸點的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖 1-2 微互連銅柱凸點照片1.2.2 混合焊料凸點互連結(jié)構(gòu)圖 1-3 所示為無鉛焊料凸點-有鉛焊料混合裝聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖，焊料凸點的互連結(jié)焊接時具有自對準(zhǔn)特性，使得封裝成品率較高，已在高密度封裝中逐步取代引線鍵傳統(tǒng)封裝技術(shù)廣泛應(yīng)用于高性能電子封裝中[41]。但是，該種混合裝聯(lián)結(jié)構(gòu)主要存在料之間、工藝之間、設(shè)計之間不相容等問題，從而影響了電子產(chǎn)品的可靠性。例如混合組裝過程中，由于存在熔融溫度差，極易導(dǎo)致鉛擴散不均勻，而在焊點內(nèi)部產(chǎn)偏析現(xiàn)象，使焊點在溫變環(huán)境下的蠕變行為加劇，易導(dǎo)致焊點沿富鉛區(qū)界面發(fā)生開效[44]。此外，SnAgCu 無鉛焊點中 Pb 的加入極易形成 Sn－Pb－Ag 低熔共晶相（77℃）,三元低熔點合金的形成易導(dǎo)致焊點在凝固過程中在焊接端面產(chǎn)生界面剝離或等缺陷，這些問題的存在對高可靠、長壽命、全天候工作的要求帶來了極大的挑戰(zhàn)

點互連結(jié)構(gòu)鉛焊料凸點-有鉛焊料混合裝聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖，特性，使得封裝成品率較高，已在高密度封裝應(yīng)用于高性能電子封裝中[41]。但是，該種混合、設(shè)計之間不相容等問題，從而影響了電子產(chǎn)于存在熔融溫度差，極易導(dǎo)致鉛擴散不均勻溫變環(huán)境下的蠕變行為加劇，易導(dǎo)致焊點沿gCu 無鉛焊點中 Pb 的加入極易形成 Sn－Pb－金的形成易導(dǎo)致焊點在凝固過程中在焊接端的存在對高可靠、長壽命、全天候工作的要求點，其鉛含量控制在什么比例，具有較優(yōu)的領(lǐng)域的重點研究方向之一[45]。

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本文編號：2778299