錫膏焊點(diǎn)的熱遷移現(xiàn)象-深圳福英達(dá)
錫膏焊點(diǎn)的熱遷移現(xiàn)象-深圳福英達(dá)
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(gè)均勻的二元合金的時(shí)候，由于合金一端和另一端會(huì)出現(xiàn)溫差，金屬原子會(huì)發(fā)生遷移，合金將變得不均勻。不僅僅熱傳導(dǎo)會(huì)造成熱遷移，合金內(nèi)部的原子擴(kuò)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(wú)鉛錫膏中的Ag，Cu等合金元素在Sn的間隙中擴(kuò)散?？焖俚拈g隙擴(kuò)散將增強(qiáng)熱遷移的通量。
Cu在Sn基體中的間隙擴(kuò)散非?？?，尤其是受到大的熱梯度驅(qū)動(dòng)。圖1(a)和(b)展示了在電遷移和熱遷移測(cè)試之前的SnAg焊點(diǎn)?？梢园l(fā)現(xiàn)Cu6Sn5與Cu UBM結(jié)合較好。凸點(diǎn)1和4在沒(méi)有施加電流情況下被加熱到150℃，而另選兩個(gè)參照凸點(diǎn)施加了0.55A電流。結(jié)果發(fā)現(xiàn)四個(gè)凸塊經(jīng)歷了幾乎相同的焦耳熱，這是因?yàn)橐驗(yàn)楣杈Ь哂辛己玫臒醾鲗?dǎo)。在施加電流應(yīng)力76小時(shí)后，觀察到凸點(diǎn)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(cè)試后凸點(diǎn)1和4的微觀結(jié)構(gòu)變化?？梢园l(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(diǎn)上的熱遷移。(a)(b)未進(jìn)行熱遷移測(cè)試; (c)(d)熱遷移測(cè)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(wú)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?？梢宰鳛闇p緩Cu熱遷移的屏障。
通過(guò)研究共晶SnAg焊點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，在施加電流前焊點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻。隨著通入交流電0.57A，焊點(diǎn)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(shí)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(shí)間增加到550h，Si芯一側(cè)Sn的體積開始變大。當(dāng)應(yīng)力時(shí)間達(dá)到800h，可以明顯觀察到大量的Sn。從實(shí)驗(yàn)中可以得知，焊料中的Sn會(huì)隨著電應(yīng)力的作用開始發(fā)生遷移，且Sn是從焊點(diǎn)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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