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随着芯片在封装尺寸上的不断减小、以及电子产品运算速度上的日益加快,商用焊膏中的焊粉尺寸也已经由4年前的2号粉(45～751μｍ),发展成为目前通用的5号粉(15～25μｍ),甚至是6号粉(5～15μｍ)。单位芯片所能容纳的焊点数目也呈几何级数增长。这就意味着单个焊点的尺寸越来越小,而其所承受的电流密度将达104A/cm2。虽然这个电流密度比芯片内部互联引线所能承受的电流密度低两个数量级,但是这足以引发焊点电迁移(electromigration)的发生。电迁移是指电子风力作用下,由于金属原子或离子发生定向移动导致物质迁移的一种物理现象。 焊点的电迁移现象主要表现为Sn-Pb和Sn-Bi二元合金中的相分离,Sn-Ag-Cu三元合金中的金属间化合物层(IMC)的极化效应,Sn晶须生长等。这些钎料显微组织的变化会引起钎料物理性质上的改变,并带来可靠性问题。此外,钎料焊点的IMC层不仅承担着传输电流的作用,还起着力学链接的作用。因此,焊点的可靠性研究很大程度上集中于这一链接层。虽然在过去十几年中,电迁移问题得到了深入的研究与分析,并取得了很多进展。诸如:电子风力作用下不同钎料体系中扩散元素的主要种类和速率的确定,电迁移对焊点显微组织形貌演变的影响,以及伴随电迁移发生的热迁移。同时,也有一些研究机构和公司提出了相关缓解电迁移损伤的方法。但是,焊点电迁移引发的金属原子或离子的扩散过程较为复杂仍存在诸多问题尚未解决。此外,上述电迁移研究成果多基于给定环境因素下,即固定环境温度或电流密度,调整另一环境因素的实验条件下进行。很少有研究将影响钎料焊点的热场、电场和力场三个因素共同考虑。这些研究也尚未将钎料的电迁移现象与宏观力学可靠性联系在一起。此外,焊点的电迁移现象受结构因素和材料因素影响。而实际焊点的结构往往在很大程度上掩盖了材料因素导致的焊点电迁移现象。这也是为什么很多针对实际焊点的电迁移研究结果相互矛盾的原因。因此,有必要在摒除结构因素的前提下,找到一种能够同时提高焊点力学可靠性和抗电迁移能力的材料方法。 通过本课题的研究发现,Sn-Ag-Cu钎料焊点通电初期正、负电极处显微组织的演变各不相同。通电初期,负极界面处出现了由Cu6Sn5和Cu3Sn组成的波浪状IMC层,此外Sn相存留在该IMC层内部。这是焊后扇贝状的IMC界面层,电子风力,以及界面不同位置互扩散速率差异共同作用的结果;此时,正极处为单一的Cu6Sn5 IMC层。长时间通电后,负极界面处的Cu3Sn和Sn相消失,波浪状IMC层变为平面状Cu6Sn5层;正极处,在Cu6Sns与基板之间观察到Cu3Sn IMC层,Sn相出现在该IMC层内部。在加入适当的Co或Ni元素后,接头焊后形成稍厚的平面状IMC层,钎料内部也形成了大量IMCs。这一显微组织形貌的改变有利于缓解IMC层极化现象以及钎料内部物质迁移的速率,从而抑制电迁移现象的发生。但是过少的Co和Ni都不能促使钎料内部的IMCs数量增加,空位会在电流作用下加速向负极迁移并导致裂纹形成。过多的添加元素则会使钎料内部形成大量IMCs。这些IMCs在电子风力作用下的移动速度远小于Cu原子或离子。因此,大量Cu原子或离子在这些IMCs靠近负极一侧形成过饱和状态。致使形成大量新的Sn-Cu金属间化合物,并导致中间部位钎料挤出,这些脆性IMC会提高裂纹萌生的几率。当Co元素的添加质量分数为0.2％,Ni元素的添加质量分数为0.45％时,钎料焊点在通电环境下的极化现象和电迁移损伤能够得到有效缓解。此外,当焊点的服役温度在其熔点绝对温度86％时,所有Ni元素增强的钎料接头在通电3天后,负极界面处都会观察到裂纹的形成。而在焊点钎料熔点绝对温度的76％时,服役性能保持良好。这说明焊点通电条件下的显微组织演变和物质迁移行为是温度和电流密度共同作用的结果。同时,对于含有不同质量分数Co元素接头在150℃老化条件下显微组织演变的观察和力学性能的测试后发现,Co元素的添加质量分数为0.2％时,焊点具有最稳定的显微组织和剪切强度。 利用X射线衍射技术,对不同通电时间钎料接头电极处应力和应变的演变研究后发现。正极处应力变化分为四个阶段,负极处分为两个阶段。金属热膨胀效应,应力松弛现象,以及电子风力作用下物质迁移的共同作用是导致上述电极处应力变化的原因。此外,在相同通电条件下,含有Co元素钎料接头电极处应变大于含有Ni元素钎料接头,而Sn-Ag-Cu钎料接头应变最小。这说明含有Co元素的钎料接头展现出良好的塑性。 最后,含有Co元素质量分数为0.2％的Sn-Ag-Cu基钎料接头可拥有最佳的力学性能和抗电迁移能力;其次是含有质量分数为0.45％Nj元素的Sn-Ag-Cu基钎料接头。此外,为缓解焊点的电迁移损伤,钎料推荐的服役工作温度为100℃以下。在评估钎料接头的服役寿命时需要综合考虑电场、热场、力场、以及焊点的尺寸四个因素。