| 题名 | 锡基无铅焊料互连体在电流作用下的损伤行为 |
| 作者 | 刘海燕 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2012 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 尚建库 ; 王中光 |
| 关键词 | 无铅焊料 电迁移 空位浓度 应力松弛 位错攀移 lead-free solder electromigration vacancy concentration stress relaxation dislocation climb |
| 学位专业 | 材料学 |
| 中文摘要 | " 在当前的主要封装形式如Flip Chip、BGA、CSP等先进封装形式中，焊料凸点为电子元件提供了机械支撑和电气连接。焊料凸点的尺寸和焊点之间的间距日益降低，使无铅焊料连接的可靠性问题变得尤其重要。电迁移过程中焊点内部产生大量的空位、孔洞等微观缺陷，必然会对焊料的力学性能产生影响；电流产生大量的焦耳热，导致焊点在服役中受到热场和电场共同作用。本论文着重研究了Sn-3.8Ag-0.7Cu和纯锡焊点在电流作用下的力学性能弱化行为，并通过添加第四组元Zn有效抑制了Sn-Ag-Cu焊点的电迁移。此外，对电迁移与热迁移共同作用下的焊点失效也做了相应研究。 在高密度电流作用下，Sn-Ag-Cu焊料中的锡原子向阳极发生定向扩散。大量成分为Sn的凸起在焊点表面产生，经统计发现所有凸起的体积总和随通电时间呈半对数直线增长。与此同时，焊点的阴极附近空位不断积累，空位浓度随通电时间的增长规律与表面凸起的增长规律一致。电迁移促进了Sn-Ag-Cu焊料的应力松弛，随电迁移时间的增长焊点的应力松弛速率提高。分析认为其原因是过饱和空位对位错产生了攀移力作用，导致位错攀移速率提高，进而提高了焊点的应力松弛速率。 在纯锡焊点中，电迁移后样品表面出现了很多晶界沟槽和晶界裂纹，其深度和宽度随电迁移时间的增长而增加。晶体结构和物理性质的各向异性导致电迁移后Sn晶界不同部位的空位浓度存在差异，该浓度差对Sn晶粒产生扭矩作用并导致Sn晶粒发生扭转。电迁移后焊点的应力松弛速率加快，应力松弛机制由通电前的位错攀移转变为晶界扩散机制。随着电迁移时间的增长晶界附近空位不断聚集，而空位浓度的提高有利于晶界扩散和晶界滑移，从而提高了焊点的应力松弛速率。 Sn-1Ag-0.5Cu-1Zn焊点的界面金属间化合物分为两层，其中靠近焊料的化合物层成分为Cu5Zn8，电迁移后焊点界面化合物层厚度没有发生变化，极性效应被有效抑制。这是由于Cu5Zn8的化学性质非常稳定，从而抑制了Cu原子的溶解和扩散。电迁移过程中Sn原子的定向迁移引发了与电子风力方向相反的回流力，该回流力驱使Zn原子发生反向迁移。Zn向阴极的聚集抑制了阴极附近空位浓度的增加，使电流对焊料力学性能的弱化作用得到有效抑制。 在电流作用下，焊点内部存在较大的温度梯度。焊点在服役过程中，焊点中的金属原子受到电迁移和热迁移的共同作用，当热迁移与电迁移作用方向一致时焊料内原子的扩散加剧，从而加速了焊点的失效。降低互连体环境温度、降低焊点内部温度梯度有利于抑制焊点金属原子的扩散，并有效抑制了微焊球互连体的失效。" |
| 公开日期 | 2013-04-12 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://210.72.142.130/handle/321006/64459]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 刘海燕. 锡基无铅焊料互连体在电流作用下的损伤行为[D]. 北京. 中国科学院金属研究所. 2012. |
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