尺寸效应下时效及电迁移对Cu/Sn-9Zn(SAC305)/Cu拉伸性能的影响

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微电子封装制造沿着微型化、高性能、无铅化趋势快速发展,焊点尺寸也随之持续减小,尺寸效应对焊点微观组织进而对其力学可靠性的影响成为电子封装中的关键问题;同时电流密度增加,使得电迁移界面损伤加剧,进一步恶化焊点力学可靠性。拉伸性能是反映微焊点可靠性的一种重要表征手段,尤其是其均布的作用力能够真实的反映焊点界面损伤状况。因此,本论文采用拉伸实验方法,在150℃时效(无电流)及电迁移(5×103A/cm2)条件下研究了不同尺寸Cu/Sn-9Zn/Cu和Cu/Sn3.0Ag0.5Cu(SAC305)/Cu线性焊点的拉伸性能。研究结果表明:(1)对于Cu/Sn-9Zn/Cu焊点,随时效时间增加,细小的Zn颗粒逐渐消失,界面金属间化合物(IMC)厚度增加,焊点由浸焊后在界面断裂转变为在钎料内部断裂,拉伸强度降低,其主要取决于钎料强度。随电迁移时间增加,焊点两侧IMC生长表现出反极性效应,阴极侧界面IMC厚度大于阳极侧界面IMC厚度,并且在大尺寸焊点中此效应更为明显;焊点由在钎料内部断裂转变为在阴极界面断裂,拉伸强度降低,其主要取决于界面结合强度。(2) Cu/Sn-9Zn/Cu焊点尺寸对焊点拉伸强度及断裂模式具有重要影响,根本原因在于不同尺寸焊点中Zn含量及其变化速率不同。相比300μm焊点,200μm焊点中剩余Zn含量随时效及电迁移时间降低更快,低的剩余Zn含量导致钎料基体强度及抗电迁移性能较弱,因而具有更低的拉伸强度,时效过程中更易在钎料内部断裂,电迁移过程中更易在阴极界面断裂。(3) Cu/SAC305/Cu焊点在时效条件下,界面IMC厚度随时效时间增加,焊点强度降低,断裂模式为钎料内部塑性断裂;电迁移条件下,Sn晶粒取向对焊点电迁移及力学性能影响显著,而尺寸效应相对弱化,当阴极侧Sn晶粒c轴与电流方向近乎平行时,阴极侧Cu基板严重消耗,并且促进界面处孔洞形成,焊点强度急剧降低,在阴极界面断裂;当阴极侧Sn晶粒c轴与电流方向近乎垂直时,阴极侧Cu基板消耗受到抑制,焊点拉伸强度缓慢减低,随电迁移时间增加,阴极侧Sn原子迁移形成的空位累积形成微小孔洞,焊点由在钎料内部断裂转变为在阴极界面断裂。
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