高低温循环下无铅焊点电迁移引发显微组织与电阻率变化规律的研究

• 作 者: 姚佳
• 机 构: 北京工业大学
• 出 处: 北京工业大学
• 发表日期: 2013年期
• 关键词: 钎焊接头 电迁移现象 电阻率 显微组织 高电流密度

微电子封装焊点尺寸和密度趋于微型化和高密度，焊点在热循环和不断升高的电流密度冲击下的可靠性研究就显得十分重要。近年来，以电迁移现象为研究内容，开展电、热、力学耦合条件下的显微形貌演变、晶体取向演变、元素分布演变、微观及宏观电导率演变、微区应力及应变演变已经开始得到人们关注。对于定温条件下焊点接头的可靠性问题，已经得到人们的广泛认知。但实际焊点的运行多是在变化温度环境下进行的。因此本课题提出通过观察高低温循环和电迁移耦合条件下焊点接头显微组织演变规律和电阻变化，探索电迁移对焊点热疲劳性能的影响，及相关力（热膨胀系数不匹配引发）、热（包括环境温度和焦耳热效应）、电在焊点失效过程中的各自作用及综合结果。其中，在对焊接接头的显微组织变化进行连续观察的方法中，由于显微拍摄将耗费大量的人力和物力。因此，本课题提出通过接头电阻的变化联系显微组织的演变的方法，从而实现对钎焊接头的实时观察。　　本文采用铜/钎料/铜的一维三棱柱对接接头结构，以Sn-58Bi无铅钎料为研究对象。分别在3个实验环境:焊点在单一热循环、焊点在单一通电、焊点在热循环和电迁移耦合条件下。显微组织的演变和电阻变化开展了观察和对比分析。建立了焊点在相关力、热、电耦合作用下的失效机理及相关应力场的各自作用。　　研究表明，在热循环和电迁移耦合条件下， Sn-58Bi接头的失效模式可以分为四个阶段。第一个阶段，相粗化使得电阻减小;第二个阶段，在Sn和富Bi相之间的晶界处产生了微裂纹并且导致了电阻的增加，焦耳热效应延长了这个阶段并且通过提高低温极限提高了接头的寿命;第三个阶段，阳极表面富Bi相和钎料之间的裂纹、阴极表面富Sn相和IMC层之间的空洞加速了这个阶段电阻的增长;第四个阶段，裂纹的快速增长导致了接头最终的破环。耦合作用下Cu/Sn-58Bi/Cu焊点的电迁移损伤非常严重，形成裂纹、相分离现象以及很厚的IMC层，钎料的基体也发生了严重的变形。高电流密度产生的焦耳热在实验初期能提高焊点的低温阶段的温度，减小了焊点在低温驻留时间裂纹的萌生几率，有效减缓热循环的低温段对焊点的损伤，因而高电流密度可提高钎料焊点在热循环条件下的服役寿命。