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

【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失效的重要可靠性問題。微型化使得焊點尺寸持續(xù)減小到微米尺度且通過微焊點的電流密度持續(xù)增加,從而導致嚴重的焦耳熱現(xiàn)象,液-固電遷移的研究具有重要的理論意義與工程應用價值。本論文利用同步輻射實時成像技術(shù)原位表征了Sn-58(wt.%)Bi、 Sn-37(wt.%)Pb、Sn-52(wt.%)In和Sn-9(wt.%)Zn微焊點的液-固電遷移行為；修正了計算液態(tài)金屬原子有效電荷數(shù)Z*的理論模型,理論計算結(jié)果與實驗值相接近,揭示并闡明了電遷移驅(qū)動原子定向擴散的物理機制；進而在技術(shù)上提出一種電流驅(qū)動鍵合(Current Driven Bonding, CDB)微互連的新方法,并成功制備了具有工程應用價值的高熔點單一擇優(yōu)取向全金屬間化合物(Intermetallic Compound, IMC)焊點。論文主要研究結(jié)果總結(jié)如下：1. Sn-58Bi微焊點液-固電遷移研究表明：在微焊點加熱熔化階段,Bi原子向陽極定向遷移并發(fā)生聚集,聚集厚度與時間成正比；在保溫階段,陽極聚集的Bi原子又開始向陰極擴散,最終釬料內(nèi)部形成三相平衡組織；在冷卻凝固階段,Bj原子再次向陽極定向遷移,直至富Sn相和富Bi相完全分離。在Sn-37Pb微焊點液-固電遷移過程中Pb原子具有相類似的擴散遷移規(guī)律。建立了基于原子擴散聚集動力學和物質(zhì)擴散平衡機制的計算原子有效電荷數(shù)Z*的理論模型,計算獲得Bi原子在140℃時的有效電荷數(shù)Z*為-5.50±0.2,Pb原子在185℃時的有效電荷數(shù)Z*為-3.20±0.2。利用Bi和Pb原子特殊的電遷移擴散遷移行為,可以實現(xiàn)Sn基合金中Bi和Pb雜質(zhì)元素的提純。2. Sn-52In微焊點液-固電遷移研究表明：與Sn-52In微焊點固-固電遷移條件下Sn原子優(yōu)先遷移至陽極,產(chǎn)生的背應力驅(qū)使In原子遷移至陰極,最終導致富Sn相和富In相分離的現(xiàn)象不同；液-固電遷移條件下,由于沒有背應力且In原子的有效電荷數(shù)Z*為負值,導致In原子向陽極遷移并參與界面反應,從而使界面IMC生長呈現(xiàn)出明顯的“極性效應”,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個數(shù)量級。3. Sn-9Zn微焊點液-固電遷移研究表明：界面IMC的生長呈現(xiàn)出明顯的“反極性效應”,即陰極界面IMC的生長速率明顯大于陽極界面IMC的生長速率；揭示了“反極性效應”是由于Zn原子的有效電荷數(shù)Z*為正值(+0.63)所導致；Zn原子的“反極性效應”可有效抑制陰極基體的溶解,顯著提高微焊點的抗電遷移壽命。技術(shù)上提出了抗電遷移微焊點成分優(yōu)化設計的新方案。4.單晶(001) Cu/Sn/多晶Cu微焊點液-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,其生長速率達到4μm/min,是無電流驅(qū)動下IMC晶粒生長速率的20倍。在技術(shù)上提出了一種電流驅(qū)動鍵合(CDB)微互連的新方法,實現(xiàn)了單一擇優(yōu)取向全Cu6Sn5 IMC焊點的制備,此微焊點具有單一晶體取向、IMC/基體界面無空洞與裂紋、高拉伸強度、高服役溫度、高電遷移可靠性等優(yōu)點,在3D封裝互連中具有潛在的應用價值。
[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 .

【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG40

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本文編號：1500769