热迁移下微焊点组织演变及蠕变行为研究

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为了满足便携化、轻量化和多功能化的需求,电子产品在趋向于小型化的同时集成度越来越高,这必将导致互连焊点的特征尺寸越来越小,并且使互连焊点两端的产热更加不平衡,导致焊点承受更高的温度梯度,从而引发更加明显的热迁移现象。在电子封装中,互连焊点结构中的基板、钎料等所选用的材料不同,导致其热膨胀系数也不同,在互连焊点服役过程中,当承受焦耳热时,必然会使互连焊点受到热应力的作用,使其发生蠕变并最终失效。因此,研究微焊点的热迁移效应以及热迁移下的蠕变行为是研究电子封装互连焊点可靠性的重要途径。近年来,随着无铅钎料的推广,研究无铅焊点的热迁移效应及热迁移下的蠕变具有重要意义。本文以Cu/Sn0.7Cu/Cu、Cu/Sn0.7Cu/Ni和Ni/Sn0.7Cu/Ni焊点结构为实验的研究对象,在中值温度为125℃、温度梯度为1120℃/cm的热迁移条件下进行焊点的热迁移实验,分析界面组织的生长演变规律,分析热迁移对其的影响。在同一热迁移条件下,施加不同的应力,研究微焊点在耦合热迁移下的蠕变行为,探究其蠕变机制。首先进行了Cu/Sn0.7Cu/Cu和Ni/Sn0.7Cu/Ni两种焊点结构的热迁移实验,研究了热迁移200 h、400 h、600 h和800 h后的组织演变规律。结果表明,在热迁移作用下,两种焊点结构都出现非对称性生长;当Cu作为基板材料时,两端界面IMC的差异非常显著,并且热端基板的损耗也比较明显,而Ni作为基板材料时,两端界面IMC的差异相对较小,热端基板的损耗也不显著;对Cu原子和Ni原子热迁移通量的计算表明,在热迁移的作用下,Cu原子的热迁移通量远远大于Ni原子,说明热迁移对Cu原子的影响大于Ni原子。其次进行了Cu/Sn0.7Cu/Ni焊点结构的热迁移实验,研究了Cu作为热端和Ni作为热端下焊点的热迁移现象。结果表明,在两端基板分别为Cu和Ni的情况下,两端界面IMC均变为(Cu,Ni)6Sn5,Cu原子的扩散主导整个界面IMC的生长变化,Ni原子的迁移扩散并不明显;虽然Cu原子的扩散占主导,但是界面IMC中的Ni原子会阻碍Cu原子的扩散速率;对四种焊点进行对比研究,当Ni作为热端时,可以显著降低热迁移对焊点的影响。最后进行了Cu/Sn0.7Cu/Cu、Cu(hot)/Sn0.7Cu/Ni(cold)、Cu(cold)/Sn0.7Cu/Ni(hot)和Ni/Sn0.7Cu/Ni四种焊点结构在耦合热迁移下的蠕变实验,分析了四种焊点结构的蠕变曲线、断口形貌和断口位置。结果表明,焊点蠕变寿命的大小关系为Cu/Sn0.7Cu/Cu<Cu(hot)/Sn0.7Cu/Ni(cold)<Cu(cold)/Sn0.7Cu/Ni(hot)<Ni/Sn0.7Cu/Ni,稳态蠕变速率则相反。对焊点的蠕变机制进行分析后可以得出,在2 MPa和3 MPa的应力下,焊点的蠕变机制为扩散蠕变和晶界滑移,断裂机制为微孔聚合断裂机制,而在4 MPa的应力下,焊点的蠕变机制变为位错滑移为主,断裂机制为准解理断裂;焊点的断口位置可以说明,在热迁移的作用下,热端IMC/钎料界面是整个焊点的薄弱区域,即使改变基板材料和所加载应力的大小也不会改变焊点的断裂区域。
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