本文關(guān)鍵詞： 液-固電遷移 反極性效應(yīng) 界面反應(yīng) 單一擇優(yōu)取向IMC 同步輻射　出處：《大連理工大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：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(diǎn)失效的重要可靠性問題。微型化使得焊點(diǎn)尺寸持續(xù)減小到微米尺度且通過微焊點(diǎn)的電流密度持續(xù)增加,從而導(dǎo)致嚴(yán)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(jià)值。本論文利用同步輻射實(shí)時(shí)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(diǎn)的液-固電遷移行為；修正了計(jì)算液態(tài)金屬原子有效電荷數(shù)Z*的理論模型,理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相接近,揭示并闡明了電遷移驅(qū)動(dòng)原子定向擴(kuò)散的物理機(jī)制；進(jìn)而在技術(shù)上提出一種電流驅(qū)動(dòng)鍵合(Current Driven Bonding, CDB)微互連的新方法,并成功制備了具有工程應(yīng)用價(jià)值的高熔點(diǎn)單一擇優(yōu)取向全金屬間化合物(Intermetallic Compound, IMC)焊點(diǎn)。論文主要研究結(jié)果總結(jié)如下：1. Sn-58Bi微焊點(diǎn)液-固電遷移研究表明：在微焊點(diǎn)加熱熔化階段,Bi原子向陽(yáng)極定向遷移并發(fā)生聚集,聚集厚度與時(shí)間成正比；在保溫階段,陽(yáng)極聚集的Bi原子又開始向陰極擴(kuò)散,最終釬料內(nèi)部形成三相平衡組織；在冷卻凝固階段,Bj原子再次向陽(yáng)極定向遷移,直至富Sn相和富Bi相完全分離。在Sn-37Pb微焊點(diǎn)液-固電遷移過程中Pb原子具有相類似的擴(kuò)散遷移規(guī)律。建立了基于原子擴(kuò)散聚集動(dòng)力學(xué)和物質(zhì)擴(kuò)散平衡機(jī)制的計(jì)算原子有效電荷數(shù)Z*的理論模型,計(jì)算獲得Bi原子在140℃時(shí)的有效電荷數(shù)Z*為-5.50±0.2,Pb原子在185℃時(shí)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(kuò)散遷移行為,可以實(shí)現(xiàn)Sn基合金中Bi和Pb雜質(zhì)元素的提純。2. Sn-52In微焊點(diǎn)液-固電遷移研究表明：與Sn-52In微焊點(diǎn)固-固電遷移條件下Sn原子優(yōu)先遷移至陽(yáng)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(fù)值,導(dǎo)致In原子向陽(yáng)極遷移并參與界面反應(yīng),從而使界面IMC生長(zhǎng)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(gè)數(shù)量級(jí)。3. Sn-9Zn微焊點(diǎn)液-固電遷移研究表明：界面IMC的生長(zhǎng)呈現(xiàn)出明顯的“反極性效應(yīng)”,即陰極界面IMC的生長(zhǎng)速率明顯大于陽(yáng)極界面IMC的生長(zhǎng)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(diǎn)的抗電遷移壽命。技術(shù)上提出了抗電遷移微焊點(diǎn)成分優(yōu)化設(shè)計(jì)的新方案。4.單晶(001) Cu/Sn/多晶Cu微焊點(diǎn)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 MC晶粒保持擇優(yōu)取向并加速生長(zhǎng),其生長(zhǎng)速率達(dá)到4μm/min,是無(wú)電流驅(qū)動(dòng)下IMC晶粒生長(zhǎng)速率的20倍。在技術(shù)上提出了一種電流驅(qū)動(dòng)鍵合(CDB)微互連的新方法,實(shí)現(xiàn)了單一擇優(yōu)取向全Cu6Sn5 IMC焊點(diǎn)的制備,此微焊點(diǎn)具有單一晶體取向、IMC/基體界面無(wú)空洞與裂紋、高拉伸強(qiáng)度、高服役溫度、高電遷移可靠性等優(yōu)點(diǎn),在3D封裝互連中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
[Abstract]:With the development of electronic packaging technology to microminiaturization and high performance , electromigration has become an important reliability problem which causes the failure of solder joints in electronic components . Sn - 58Bi micro - welding point liquid - solid electromigration study shows that the Bi atoms migrate toward the anode during the heating and melting phase of the micro - welding point , and the thickness of the aggregation is proportional to the time . In the thermal insulation phase , the Bi atoms in the anode are dispersed again , and the effective charge number Z * of the Bi atoms at 140 DEG C is - 5.50 + - 0.2 , and the effective charge number Z * of the Pb atoms at 185 DEG C is - 3.20 + - 0.2 . Sn - 52In micro - welding point liquid - solid electromigration study shows that Sn atoms preferentially migrate to the anode under the condition of solid - solid electrotransport with Sn - 52In micro - welding point .

【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG40

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本文編號(hào)：1500769