錫膏焊點的熱遷移現(xiàn)象-深圳福英達
錫膏焊點的熱遷移現(xiàn)象-深圳福英達
熱遷移的成因之一是由于由合金內(nèi)部溫度不一致所致。當(dāng)在熱處理一個均勻的二元合金的時候，由于合金一端和另一端會出現(xiàn)溫差，金屬原子會發(fā)生遷移，合金將變得不均勻。不僅僅熱傳導(dǎo)會造成熱遷移，合金內(nèi)部的原子擴散也是熱遷移的成因。我們目前在一些半導(dǎo)體應(yīng)用中仍能看到二元合金錫膏的使用，如SnAg，SnCu，SnPb錫膏等。這些無鉛錫膏中的Ag，Cu等合金元素在Sn的間隙中擴散?？焖俚拈g隙擴散將增強熱遷移的通量。
Cu在Sn基體中的間隙擴散非常快，尤其是受到大的熱梯度驅(qū)動。圖1(a)和(b)展示了在電遷移和熱遷移測試之前的SnAg焊點?？梢园l(fā)現(xiàn)Cu6Sn5與Cu UBM結(jié)合較好。凸點1和4在沒有施加電流情況下被加熱到150℃，而另選兩個參照凸點施加了0.55A電流。結(jié)果發(fā)現(xiàn)四個凸塊經(jīng)歷了幾乎相同的焦耳熱，這是因為因為硅晶具有良好的熱傳導(dǎo)。在施加電流應(yīng)力76小時后，觀察到凸點中的Cu6Sn5 IMC在熱遷移后遷移到基板端。圖1(c)和(d)分別顯示了熱遷移測試后凸點1和4的微觀結(jié)構(gòu)變化。可以發(fā)現(xiàn)Si芯片上的Cu UBM幾乎完全消失。
圖1. Cu在Cu/SnAg/Ni焊點上的熱遷移。(a)(b)未進行熱遷移測試; (c)(d)熱遷移測試后。
Ni在錫膏焊料中的低溶解度也減緩了Ni原子熱遷移的發(fā)生。有研究者發(fā)現(xiàn)，在250°C下，Ni在無鉛焊料中的溶解度僅為0.28wt%，其溶解度比Cu的溶解度小得多。因此在芯片上沉積Ni UBM通常可以作為減緩Cu熱遷移的屏障。
通過研究共晶SnAg焊點可以發(fā)現(xiàn)，在施加電流前焊點內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻。隨著通入交流電0.57A，焊點內(nèi)部的焦耳熱產(chǎn)生了2829℃/cm的熱梯度。在施加電應(yīng)力300小時后，純Sn的小丘開始出現(xiàn)在上方的Si芯一側(cè)（熱端）。隨著應(yīng)力時間增加到550h，Si芯一側(cè)Sn的體積開始變大。當(dāng)應(yīng)力時間達到800h，可以明顯觀察到大量的Sn。從實驗中可以得知，焊料中的Sn會隨著電應(yīng)力的作用開始發(fā)生遷移，且Sn是從焊點遷移到Si芯一側(cè)。
圖2. 熱梯度2829℃/cm的熱遷移。(a)0h; (b)300h; (c)550h; (d)800h。
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Chen, C., Hsiao, H.Y., Chang, Y.W., Ouyang, F. & Tu, K.N. (2012). Thermomigration in solder joints. Materials Science and Engineering: R: Reports, vol.73.
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