电迁移作用下Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点的失效研究

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近年来,随着电子元器件的微型化发展,通过焊点的电流密度大大提高,引发电迁移失效,造成焊点的力学性能显著恶化,降低电子元器件的可靠性,焊点的电迁移失效成为电子元器件的主要失效形式之一。因此,本文重点研究大电流密度下焊点的电迁移行为,并针对焊点承载的复杂载荷,对焊点空洞形成位置及过程进行了理论分析与实验研究。首先,本文在125℃、1.43×104 A/cm2下对300μm的Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu BGA焊点进行了电迁移加速实验,研究了焊点的电迁移行为。分别观察通电24 h,48 h,72 h,96 h和120 h后的焊点截面,观察到了电迁移导致的金属间化合物(Intermetallic Compound,IMC)的极性生长、焊点阳极处的Kirkendal效应和焊点阴极处由电迁移引发的空洞演化过程。尤其是焊点阴极空洞的形成,在电迁移过程中快速扩展,形成断面,造成焊点机械性能和电气连接的失效。其次,本文采用全耦合仿真算法,计算得到由电场、温度场、应力场和原子浓度场导致的原子通量,合理阐明了多物理场耦合作用下电迁移失效过程中各个物理场的作用。其中,电场导致的原子通量为2.69×10-13 mol/(m2·s),对电迁移中空洞形成的贡献为92.7%。最后,本文综合考虑了电子风力、温度梯度、应力梯度和原子浓度梯度四种原子扩散驱动力的影响,计算得到不同通电时间下焊点内原子浓度的分布。对比实验结果与模拟结果,确定了本文模拟算法中焊点空洞形成的临界值为0.91mol/m3,模拟结果和实验结果吻合良好,实现了焊点空洞形成位置的较为准确的预测。
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