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搭接焊点中无铅钎料与金属间化合物Cu_6Sn_5的电迁移现象研究

作　者: 黄卓
导　师: 李明雨
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 无铅搭接焊点电迁移晶粒取向原子扩散金属间化合物
分类号: TG401
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

焊点中的电迁移是影响电子封装可靠性的关键因素之一。根据环保的要求,无铅钎料取代有铅钎料是必然的趋势。尽管无铅焊点的电迁移现象被业界广泛关注,但其行为机理却鲜有学者研究。为此本文选取Sn3.0Ag0.5Cu和Sn0.7Cu制备的无铅搭接焊点作为研究对象,通过非原位及原位电迁移实验,并结合计算机数值模拟、EBSD和EDS等手段,对电迁移中搭接焊点结构所导致的电流密度分布不均、钎料晶粒取向影响元素分布演化的规律进行了系统研究。本文结合计算机数值模拟的分析结果,证实了在搭接焊点的互联结构中,焊盘尖端以及焊盘末端拐点处,由于存在电流行进最小路径以及导体形状急剧变化而形成电流聚集区。非原位电迁移实验中,出现了阴极焊盘减薄、金属间化合物(IMC)的极化效应以及电迁移积累效应等现象。同时,本文通过对Sn3.0Ag0.5Cu和Sn0.7Cu搭接焊点中的钎料晶粒取向以及元素分布进行研究,发现了Cu原子沿着钎料中β-Sn晶粒c轴方向以及钎料晶界快速迁移的事实,并以此为依据解释了IMC生长形貌的不同倾向性、IMC阴极异常聚集、IMC厚度违反电迁移时间积累效应的现象以及Cu原子在钎料中迁移路径的差异等诸多电迁移传统理论无法解释的问题。原位电迁移实验中,发现了通电焊点的重熔现象,并在有重熔现象的焊点中发现了电迁移导致的IMC极化效应以及阴极焊盘减薄现象,而在散热较好的焊点中没有发现明显的电迁移现象,说明电迁移现象是一种电热耦合效应,散热条件的好坏同时也对电迁移失效起着关键性的作用。实验中还发现了SnCu原位电迁移试样截面上的应力纹。由于β-Sn晶粒a、b轴的方向电阻率低,所以钎料通过晶粒旋转使晶粒a、b轴平行于电流方向,将有助于焊点整体电阻的减小,应力纹即晶粒旋转导致晶粒间相互挤压的表征。对比SnCu和SnAgCu的钎料的电迁移特性,由于SnCu的钎料晶粒比SnAgCu的钎料晶粒小,元素原子在钎料中的扩散迁移表现出较强的各向同性,因此SnCu钎料比SnAgCu钎料具有更强的抗电迁移性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-20
  1.1 课题背景  9
  1.2 国内外电迁移研究现状  9-18
    1.2.1 电迁移的基本原理  10-13
    1.2.2 互连微焊点中电迁移的特性  13-14
    1.2.3 微焊点互连中电迁移演化和失效过程  14-16
    1.2.4 电流聚集效应研究  16-17
    1.2.5 焊点中电迁移的扩散机制  17-18
  1.3 本文的主要研究内容  18-20
第2章实验器材与方法  20-28
  2.1 实验设备  20-21
  2.2 实验材料  21-23
  2.3 试样制备  23-26
    2.3.1 非原位试样制备  23-24
    2.3.2 原位试样的制备  24-26
  2.4 实验过程  26-27
    2.4.1 通电实验  26
    2.4.2 焊点微观组织、晶粒取向及元素分布分析  26-27
  2.5 本章小结  27-28
第3章非原位电迁移中组织演变的研究  28-52
  3.1 焊点内电流密度与电场分布的讨论  28-31
  3.2 SnAgCu 钎料电迁移前后的组织演变  31-34
  3.3 SnCu 钎料电迁移前后的组织演变  34-38
  3.4 焊点中晶粒取向对电迁移中元素迁移的影响  38-50
    3.4.1 钎料晶粒取向对电迁移影响的讨论  38-40
    3.4.2 SnAgCu 非原位试样  40-46
    3.4.3 SnCu 非原位试样  46-50
  3.5 SnAgCu 系与SnCu 系钎料电迁移的对比讨论  50-51
  3.6 本章小结  51-52
第4章原位电迁移中组织演变的研究  52-66
  4.1 原位电迁移实验和参数的讨论  52-53
    4.1.1 原位电迁移与非原位电迁移对比讨论  52-53
    4.1.2 原位电迁移中的参数和电场分布的讨论  53
  4.2 SnAgCu 钎料焊点原位电迁移研究  53-58
  4.3 SnCu 钎料焊点原位电迁移研究  58-63
  4.4 原位电迁移中的晶粒旋转的研究  63-65
  4.5 本章小结  65-66
结论  66-67
参考文献  67-73
致谢  73

搭接焊点中无铅钎料与金属间化合物Cu_6Sn_5的电迁移现象研究

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