Sn-9Zn焊點(diǎn)液—固電遷移反極性效應(yīng)研究.pdf

1、3D封裝已成為當(dāng)前微電子封裝的一種主流技術(shù)，在其驅(qū)動(dòng)下微焊點(diǎn)的尺寸已接近10μm，這導(dǎo)致通過單個(gè)焊點(diǎn)的電流密度達(dá)到了104 A/cm2。如此高的電流密度會(huì)使倒裝焊點(diǎn)發(fā)生明顯的焦耳熱效應(yīng)，進(jìn)而引起微焊點(diǎn)的服役溫度持續(xù)升高。當(dāng)溫度超過釬料熔點(diǎn)時(shí)，焊點(diǎn)中就會(huì)發(fā)生液-固電遷移現(xiàn)象。目前液-固電遷移失效已被列為焊點(diǎn)的主要失效形式之一。因此，研究焊點(diǎn)液-固電遷移行為對(duì)理解焊點(diǎn)的失效模式、提高焊點(diǎn)的可靠性是非常必要的。本論文采用“純化條件”下的Cu/

2、Sn-9Zn/Cu和Cu/Sn-9Zn/Ni線性焊點(diǎn)，在溫度為230℃、電流密度為5×103 A/cm2條件下，研究液-固電遷移對(duì)焊點(diǎn)中Zn原子擴(kuò)散行為、Cu和Ni原子交互作用及焊點(diǎn)顯微組織演變等的影響和作用機(jī)制。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴Cu/Sn-9Zn/Cu線性焊點(diǎn)在液-固電遷移過程中存在反極性效應(yīng)，即陰極側(cè)界面金屬間化合物(IMC)在反應(yīng)過程中厚度不斷增加，且明顯厚于陽極側(cè)界面IMC。與固-固電遷移過程中由背應(yīng)力所引起的

3、反極性效應(yīng)不同，液-固電遷移過程中的反極性效應(yīng)是由有效電荷數(shù)Z*為正值的Zn原子在電子風(fēng)力作用下從陽極端向陰極端定向遷移所導(dǎo)致的。在陽極端，Zn原子的定向遷移使得界面IMC發(fā)生脫落溶解現(xiàn)象，并由Cu5Zn8最終轉(zhuǎn)變?yōu)?Cu6Sn5+CuZn);在陰極端，界面IMC由Cu5Zn8逐漸變?yōu)?Cu5Zn8+CuZn);釬料中Zn元素的含量也由初始的9wt.％變?yōu)樽罱K的0.9 wt.％。此外，通過建立液-固電遷移過程中陰極界面IMC生長動(dòng)力學(xué)模

4、型，求得界面Cu5Zn8中Zn原子的Z*為+0.25。⑵在Cu/Sn-9Zn/Ni線性焊點(diǎn)的液-固反應(yīng)（無電流）過程中，Cu原子比Ni原子更容易擴(kuò)散至對(duì)側(cè)。液-固反應(yīng)初期，Cu原子已擴(kuò)散至Ni側(cè)界面并形成了Cu5Zn8類型化合物;隨反應(yīng)的進(jìn)行，Zn原子在化學(xué)勢(shì)梯度下不斷向Cu側(cè)擴(kuò)散使得Ni側(cè)的Cu5Zn8發(fā)生溶解并形成Ni3Sn4類型化合物。Ni原子很難擴(kuò)散到Cu側(cè)界面，當(dāng)液-固反應(yīng)8h時(shí)，才有少量的Ni原子擴(kuò)散至Cu側(cè)，界面IMCs也

5、由Cu5Zn8類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱薈u6Sn5類型。⑶液-固電遷移促進(jìn)了Cu/Sn-9Zn/Ni焊點(diǎn)中Cu、Ni原子的交互作用。Cu原子順風(fēng)擴(kuò)散時(shí)，Ni側(cè)界面形成Cu5Zn8類型化合物，其厚度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì);Cu原子逆風(fēng)擴(kuò)散時(shí)，只有少量Cu原子擴(kuò)散至Ni側(cè)并參與其界面反應(yīng)生成(Ni，Cu)3(Sn，Zn)4相。Ni原子順風(fēng)擴(kuò)散時(shí)，Ni的溶解及其在液態(tài)釬料中的擴(kuò)散能力明顯增強(qiáng)，在Cu側(cè)Cu5Zn8/solder界面處形成了大量的(Ni，C