论文部分内容阅读
随着电子封装技术向微型化、高性能的方向发展,电迁移已成为引起电子元器件中焊点失效的重要可靠性问题。微型化使得焊点尺寸持续减小到微米尺度且通过微焊点的电流密度持续增加,从而导致严重的焦耳热现象,液-固电迁移的研究具有重要的理论意义与工程应用价值。本论文利用同步辐射实时成像技术原位表征了Sn-58(wt.%)Bi、 Sn-37(wt.%)Pb、Sn-52(wt.%)In和Sn-9(wt.%)Zn微焊点的液-固电迁移行为；修正了计算液态金属原子有效电荷数Z*的理论模型,理论计算结果与实验值相接近,揭示并阐明了电迁移驱动原子定向扩散的物理机制；进而在技术上提出一种电流驱动键合(Current Driven Bonding, CDB)微互连的新方法,并成功制备了具有工程应用价值的高熔点单一择优取向全金属间化合物(Intermetallic Compound, IMC)焊点。论文主要研究结果总结如下：1. Sn-58Bi微焊点液-固电迁移研究表明：在微焊点加热熔化阶段,Bi原子向阳极定向迁移并发生聚集,聚集厚度与时间成正比；在保温阶段,阳极聚集的Bi原子又开始向阴极扩散,最终钎料内部形成三相平衡组织；在冷却凝固阶段,Bj原子再次向阳极定向迁移,直至富Sn相和富Bi相完全分离。在Sn-37Pb微焊点液-固电迁移过程中Pb原子具有相类似的扩散迁移规律。建立了基于原子扩散聚集动力学和物质扩散平衡机制的计算原子有效电荷数Z*的理论模型,计算获得Bi原子在140℃时的有效电荷数Z*为-5.50±0.2,Pb原子在185℃时的有效电荷数Z*为-3.20±0.2。利用Bi和Pb原子特殊的电迁移扩散迁移行为,可以实现Sn基合金中Bi和Pb杂质元素的提纯。2. Sn-52In微焊点液-固电迁移研究表明：与Sn-52In微焊点固-固电迁移条件下Sn原子优先迁移至阳极,产生的背应力驱使In原子迁移至阴极,最终导致富Sn相和富In相分离的现象不同；液-固电迁移条件下,由于没有背应力且In原子的有效电荷数Z*为负值,导致In原子向阳极迁移并参与界面反应,从而使界面IMC生长呈现出明显的“极性效应”,阴极Cu基体(例如Cu)在液-固电迁移条件下的溶解速率比其在固-固电迁移条件下大3个数量级。3. Sn-9Zn微焊点液-固电迁移研究表明：界面IMC的生长呈现出明显的“反极性效应”,即阴极界面IMC的生长速率明显大于阳极界面IMC的生长速率；揭示了“反极性效应”是由于Zn原子的有效电荷数Z*为正值(+0.63)所导致；Zn原子的“反极性效应”可有效抑制阴极基体的溶解,显著提高微焊点的抗电迁移寿命。技术上提出了抗电迁移微焊点成分优化设计的新方案。4.单晶(001) Cu/Sn/多晶Cu微焊点液-固电迁移研究表明：在定向通电条件下,单晶(001)Cu基体上棱晶状Cu6Sn5 MC晶粒保持择优取向并加速生长,其生长速率达到4μm/min,是无电流驱动下IMC晶粒生长速率的20倍。在技术上提出了一种电流驱动键合(CDB)微互连的新方法,实现了单一择优取向全Cu6Sn5 IMC焊点的制备,此微焊点具有单一晶体取向、IMC/基体界面无空洞与裂纹、高拉伸强度、高服役温度、高电迁移可靠性等优点,在3D封装互连中具有潜在的应用价值。