共晶Sn基焊点电迁移引发电阻率演化的研究

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在向无铅化过渡的进程中,封装材料与封装工艺的改变将会带来更多的无铅焊点的可靠性问题。以往针对焊点电迁移可靠性的研究主要是采用原位观察法,本文提出了一种数据采集法,用于了解焊点电迁移过程中显微组织的演化与电阻率变化的关系。   本文搭建了基于LabVIEWM虚拟仪器的电迁移焊点的数据采集平台,研究了两种二元合金钎料(共晶SnBi和共晶SnZn)焊点在电迁移过程中,焊点电阻率变化与显微组织演化之间的关系。为了避免焊点缺陷与电流聚集效应对电迁移的影响,试验采用具有均匀电流密度分布的一维焊点,电迁移的电流密度为104A/cm2,试验的环境温度分别为低温(50℃)和高温(80℃)。   在共晶SnBi焊点电迁移的研究中发现:焊点表面为自由表面,通电电流为10A,环境温度80℃条件下,通电72h后,焊点内部显微组织变化所引发的焊点电阻率变化被焊点表面的形变所掩盖;焊点表面具备体积约束,通电电流为10A,环境温度为80℃,通电72h后,焊点融化、内部形成大量的金属间化合物(IMC)导致焊点电阻率成阶梯式升高;焊点表面具备体积约束,通电电流为5A,环境温度为50℃,通电648h后,焊点内部无大量的IMC,正极处出现连续的纯Bi相导致焊点电阻率上升。当焊点内部发生晶粒生长、应力松弛和溶质再分布时,可导致焊点电阻率下降。   在研究共晶SnZn焊点电迁移时,首先研究了焊点表面为自由表面时的电迁移特性:通电电流为5A,环境温度为50℃,通电120h后,焊点内部发现相界面拱起;360h后,基板表面形成双层Cu5Zn8IMC;600h后,正极界面处出现钎料挤出;环境温度80℃条件下通电240h,焊点失效。研究电阻率特性时发现:当焊点表面具备体积约束时,50℃条件下通电624h后,焊点内部出现富Sn相的聚集,焊点电阻率上升:80℃条件下通电624h后,焊点内部形成空洞,界面处IMC出现极化效应,导致电阻率上升,并发生大的扰动,   本文还对比了共晶SnBi焊点和共晶SnZn焊点的电迁移机理、IMC生长机理,焊点内部应力分布情况。通过对比发现:在共晶SnBi焊点中,两种原子都发生移动;而共晶SnZn焊点电迁移过程中,Zn原子不运动。因此,在共晶SnBi焊点中,连续的Bi层厚度的增长使焊点电阻率上升,而共晶SnZn焊点中IMC的增厚导致电阻率上升。除此之外,共晶SnBi焊点电迁移过程中,Cu3Sn和Cu6Sn5的IMC界面处容易形成空洞,富Sn相的界面内容易产生裂纹;而在共晶SnZn焊点电迁移过程中,界面处易形成极化效应。
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