sn2.5bicu接头的电迁移研究(附件)【字数：16857】
摘 要摘 要随着半导体行业的飞速发展，电子产品中集成电路的规模越来越大，集成度越来越高，而电子封装中单一焊点所通过的电流密度也逐渐增大，随之而来出现的就是焊点的电迁移可靠性问题。本文探讨了无铅钎料的研究与使用，Sn-Bi钎料成为低温封装所广泛使用的钎料的原因，以及研究Cu/Sn-2.5Bi/Cu接头电迁移可靠性的原因和目的，探索了焊点发生电迁移过程中微观组织的演变、界面反应以及表面形貌的变化，对Cu/Sn-2.5Bi/Cu钎焊接头的电迁移机理有了一定了解，同时探索了Sn-Bi等无铅钎料电迁移可靠性的研究成果与进展。文章第二部分详细描述了电迁移实验的实验材料、设备以及实验内容，第三部分则进一步对电迁移可靠性进行研究，分别探索了低温、高电流密度下不同通电时间后Cu/Sn-2.5Bi/Cu接头的电迁移可靠性和高温、较低电流密度下不同通电时间后Cu/Sn-2.5Bi/Cu接头的电迁移可靠性。通过对电迁移后的试样拍摄的扫描电子显微镜照片分析发现，焊点在室温、电流密度大小为1×104A/cm2的电迁移过程中，Bi原子不断向两端界面处迁移，最终Bi相固溶于Sn相中。同时，随着通电时间的延长，阳极界面和阴极界面处IMC的厚度均呈增长趋势，在电迁移过程中金属间化合物不断生成。而温度对原子迁移的影响也很重要，在高温、较低电流密度下，经过一定时间电迁移后，扩散到阳极的Cu原子与Sn发生反应，生成大量的金属间化合物Cu3Sn和Cu6Sn5。而在阴极由于原子的大量迁出，金属间化合物的厚度变化不明显，阴极界面处IMC的厚度小于阳极界面。随着通电时间的延长，界面处的Cu3Sn和Cu6Sn5金属间化合物不断增长，扇贝状IMC的起伏程度逐渐趋于平缓，且在界面附近生成了明显的Cu6Sn5金属间化合物。关键词Sn-2.5Bi钎料 电迁移 微观组织演变 金属间化合物 焊点可靠性
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2无铅钎料的使用 2
1.3电迁移原理 3
1.3.1钎料与Cu基板之间的界面反应 5
1.3.2电迁移过程中焊点的表面形貌变化 6
1.4有关SnBi钎料电迁移的研究 7
1.5课题研究的意义 10
1.6.课题研究的主要研究内容 1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
1
第二章 实验过程及研究方法 12
2.1 实验材料 12
2.2 实验设备 12
2.3 钎料的制备 12
2.4 试样制备 13
2.5 电迁移实验 14
2.6 试样焊点电迁移后的微观组织观察 16
2.7 本章小结 16
第三章 Cu/Sn2.5Bi/Cu钎焊接头焊点电迁移可靠性的研究 17
3.1 引言 17
3.2低温、高电流密度下电迁移对Cu/Sn2.5Bi/Cu焊点表面微观形貌的影响 18
3.3低温、高电流密度下电迁移对Cu/Sn2.5Bi/Cu焊点界面微观形貌的影响 19
3.4高温、较低电流密度下电迁移对Cu/Sn2.5Bi/Cu焊点微观组织的影响 22
3.5本章小结 25
结论 26
致谢 28
参 考 文 献 29
第一章 绪论
1.1引言
电子封装是将半导体元件通过镀膜或者微连接的方式固定在基板上，引出引脚，用绝缘介质固定以形成完整的电子电路封装系统，提供机械支撑、环境保护、电传导、热传导、信号屏蔽等功能，在封装过程中会产生大量焊点。当今时代是电子产品飞速发展的时代，电子器件不断朝着微型化、多功能化发展。英特尔(Intel)创始人之一戈登摩尔(Gordon Moore)提出来的摩尔定律表示，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔1824个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。这表示集成电路的集成规模会越来越大，而随着电子产品中集成电路的集成规模逐渐扩大，封装密度不断提高，单个焊点中通过的电流密度也会急剧增加，而当焊点通过的电流密度达到104A/cm2甚至更高时，焊点中会出现明显的电迁移现象。电迁移现象是指当导电材料中通过较高的电流密度时，金属原子沿着电子运动的方向进行迁移的现象。众所周知，SnPb钎料由于具有较高的焊点强度以及较好的力学性能和润湿性而被长期使用，但Pb会对人体和生态环境产生严重危害，欧盟议会及欧盟委员会于2003年2月13日发布了《废旧电子电气设备指令》（简称《WEEE指令》）和《电子电气设备中限制使用某些有害物质指令》（简称《RoHS指令》），RoHS是由欧盟立法制定的一项强制性标准，该标准于2006年7月1日开始正式实施，主要用于规范电子电气产品的材料及工艺标准，使之更加有利于人体健康及环境保护。该标准的目的在于消除电器电子产品中的铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯和多溴二苯醚共6项物质，并重点规定了铅的含量不能超过0.1%。所以近年来无铅钎料开始被研究采用，SnBi钎料由于其低熔点、低膨胀系数以及高性能、良好的环境协调性等优点而被广泛采用，但是SnBi钎料发生电迁移时，Bi原子会随着电子风力的作用迁移到阳极一侧，当原子在电子风力的驱使下从阴极向阳极迁移时，阳极受到压应力而阴极则受到拉应力作用，使界面上形成凸起和晶须，而晶须的生长极易造成短路连接，进而严重威胁电子产品的可靠性。随着电流加载时间的延长钎料界面也会开始产生空洞，空洞的出现减小了电流传输的有效面积，导致电流密度进一步增加，从而加速空洞在界面的生长，空洞的形核与生长降低了互连焊点的连接强度，会显著加速电子产品的失效。而因为SnBi钎料中Bi相为脆性相，在高温及电迁移条件下钎料组织中的Bi相极易发生富集，当产生大块富Bi相会明显导致钎料的脆性，影响焊点的可靠性，所以我们适当降低Bi含量，研究Sn2.5Bi钎料的电迁移可靠性，分别研究在低温、高电流密度下不同通电时间和高温、较低电流密度下不同通电时间的电迁移过程中Sn2.5Bi钎料合金微观组织的演变，探究其电迁移机理，对电子产品中互连焊点的电迁移可靠性问题进行更深入的研究。
1.2无铅钎料的使用
SnPb钎料因其较低的熔点、较好的润湿性以及较好的力学性能和热电性能之前一直被广泛使用，但是由于Pb是一种有毒物质，不能较好的回收利用时会严重危害人体和环境，引发疾病、智力低下等问题，还会污染环境，造成生态隐患。因此欧盟议会及欧盟委员会于2003年2月13日在其《官方公报》上发布了《废旧电子电气设备指令》（简称《WEEE指令》）和《电子电气设备中限制使用某些有害物质指令》（简称《RoHS指令》），RoHS是由欧盟立法制定的一项强制性标准，该标准于2006年7月1日开始正式实施，主要用于规范电子电气产品的材料及工艺标准，使之更加有利于人体健康及环境保护。该标准的目的在于消除电器电子产品中的铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯和多溴二苯醚共6项物质，并重点规定了铅的含量不能超过0.1%。为了响应RoHS的号召，科研人员开始寻找可以替代SnPb钎料的无铅钎料。
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2无铅钎料的使用 2
1.3电迁移原理 3
1.3.1钎料与Cu基板之间的界面反应 5
1.3.2电迁移过程中焊点的表面形貌变化 6
1.4有关SnBi钎料电迁移的研究 7
1.5课题研究的意义 10
1.6.课题研究的主要研究内容 1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
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第二章 实验过程及研究方法 12
2.1 实验材料 12
2.2 实验设备 12
2.3 钎料的制备 12
2.4 试样制备 13
2.5 电迁移实验 14
2.6 试样焊点电迁移后的微观组织观察 16
2.7 本章小结 16
第三章 Cu/Sn2.5Bi/Cu钎焊接头焊点电迁移可靠性的研究 17
3.1 引言 17
3.2低温、高电流密度下电迁移对Cu/Sn2.5Bi/Cu焊点表面微观形貌的影响 18
3.3低温、高电流密度下电迁移对Cu/Sn2.5Bi/Cu焊点界面微观形貌的影响 19
3.4高温、较低电流密度下电迁移对Cu/Sn2.5Bi/Cu焊点微观组织的影响 22
3.5本章小结 25
结论 26
致谢 28
参 考 文 献 29
第一章 绪论
1.1引言
电子封装是将半导体元件通过镀膜或者微连接的方式固定在基板上，引出引脚，用绝缘介质固定以形成完整的电子电路封装系统，提供机械支撑、环境保护、电传导、热传导、信号屏蔽等功能，在封装过程中会产生大量焊点。当今时代是电子产品飞速发展的时代，电子器件不断朝着微型化、多功能化发展。英特尔(Intel)创始人之一戈登摩尔(Gordon Moore)提出来的摩尔定律表示，当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔1824个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。这表示集成电路的集成规模会越来越大，而随着电子产品中集成电路的集成规模逐渐扩大，封装密度不断提高，单个焊点中通过的电流密度也会急剧增加，而当焊点通过的电流密度达到104A/cm2甚至更高时，焊点中会出现明显的电迁移现象。电迁移现象是指当导电材料中通过较高的电流密度时，金属原子沿着电子运动的方向进行迁移的现象。众所周知，SnPb钎料由于具有较高的焊点强度以及较好的力学性能和润湿性而被长期使用，但Pb会对人体和生态环境产生严重危害，欧盟议会及欧盟委员会于2003年2月13日发布了《废旧电子电气设备指令》（简称《WEEE指令》）和《电子电气设备中限制使用某些有害物质指令》（简称《RoHS指令》），RoHS是由欧盟立法制定的一项强制性标准，该标准于2006年7月1日开始正式实施，主要用于规范电子电气产品的材料及工艺标准，使之更加有利于人体健康及环境保护。该标准的目的在于消除电器电子产品中的铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯和多溴二苯醚共6项物质，并重点规定了铅的含量不能超过0.1%。所以近年来无铅钎料开始被研究采用，SnBi钎料由于其低熔点、低膨胀系数以及高性能、良好的环境协调性等优点而被广泛采用，但是SnBi钎料发生电迁移时，Bi原子会随着电子风力的作用迁移到阳极一侧，当原子在电子风力的驱使下从阴极向阳极迁移时，阳极受到压应力而阴极则受到拉应力作用，使界面上形成凸起和晶须，而晶须的生长极易造成短路连接，进而严重威胁电子产品的可靠性。随着电流加载时间的延长钎料界面也会开始产生空洞，空洞的出现减小了电流传输的有效面积，导致电流密度进一步增加，从而加速空洞在界面的生长，空洞的形核与生长降低了互连焊点的连接强度，会显著加速电子产品的失效。而因为SnBi钎料中Bi相为脆性相，在高温及电迁移条件下钎料组织中的Bi相极易发生富集，当产生大块富Bi相会明显导致钎料的脆性，影响焊点的可靠性，所以我们适当降低Bi含量，研究Sn2.5Bi钎料的电迁移可靠性，分别研究在低温、高电流密度下不同通电时间和高温、较低电流密度下不同通电时间的电迁移过程中Sn2.5Bi钎料合金微观组织的演变，探究其电迁移机理，对电子产品中互连焊点的电迁移可靠性问题进行更深入的研究。
1.2无铅钎料的使用
SnPb钎料因其较低的熔点、较好的润湿性以及较好的力学性能和热电性能之前一直被广泛使用，但是由于Pb是一种有毒物质，不能较好的回收利用时会严重危害人体和环境，引发疾病、智力低下等问题，还会污染环境，造成生态隐患。因此欧盟议会及欧盟委员会于2003年2月13日在其《官方公报》上发布了《废旧电子电气设备指令》（简称《WEEE指令》）和《电子电气设备中限制使用某些有害物质指令》（简称《RoHS指令》），RoHS是由欧盟立法制定的一项强制性标准，该标准于2006年7月1日开始正式实施，主要用于规范电子电气产品的材料及工艺标准，使之更加有利于人体健康及环境保护。该标准的目的在于消除电器电子产品中的铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯和多溴二苯醚共6项物质，并重点规定了铅的含量不能超过0.1%。为了响应RoHS的号召，科研人员开始寻找可以替代SnPb钎料的无铅钎料。
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