微焊点Cu/SAC305/Cu固-液界面反应及电迁移行为

研究了电迁移过程中Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu微焊点界面金属间化合物（IMC）的生长演变机制,分析了电载荷作用下固-液电迁移与固-固电迁移的区别. 结果表明,固-液电迁移过程中,随着加载时间的延长,两极IMC层厚度均增厚,且阳极IMC层厚度增长速率比阴极大;阴极侧IMC晶粒径向尺寸一直增大,轴向尺寸呈先增大后减小的变化规律,阳极侧IMC晶粒的尺寸在轴向与径向均增大;加载过程中,阳极IMC晶粒尺寸始终大于阴极;与固-固电迁移相比,固-液电迁移后,阴极侧,焊点IMC形貌更规则,且表面光滑度提高;阳极侧,固-固扩散时界面IMC晶粒形貌为多边形球状,而固-液扩散时界面IMC形貌为多边形柱状.     

电迁移极性效应及其对Sn-3.0Ag-0.5Cu无铅焊点拉伸性能的影响

采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和微拉伸实验,研究Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu对接焊点在不同电迁移时间下阳极、阴极界面金属间化合物(IMC)的生长演变规律及焊点抗拉强度的变化,同时对互连焊点的断口形貌及断裂模式进行分析.结果表明:在电流密度(J)为1.78×104 A/cm2、温度为373 K的加载条件下,随着加载时间的延长,焊点界面IMC的生长呈现明显的极性效应,阳极界面IMC增厚,阴极界面IMC减薄,且阳极界面IMC的生长符合抛物线规律;同时,互连焊点的抗拉强度不断下降,焊点的断裂模式由塑性断裂逐渐向脆性断裂转变,断裂位置由焊点中心向阴极界面处转移.     

Cu/Sn-58Bi/Cu焊点电迁移行为研究

采用双辊快速凝固技术制备了Sn-58Bi钎料薄带,并制备Cu/Sn-58Bi/Cu线性焊点。使用电子探针(EPMA)及能谱分析(EDS)研究焊点在电流密度为1×10^4 A/cm^2(25℃)下界面金属间化合物(IMC)、元素扩散与钎料基体组织演变规律。结果表明,随着通电时间延长阳极界面处的IMC层的形状从扇贝状转变为锯齿状,阴极界面处的IMC层由扇贝形变为不规则,其厚度逐渐增加。阳极由于Bi的偏聚形成了富Bi层,Sn在阴极偏聚,基体共晶组织(Bi+β-Sn)粗化。基于线性拟合可知,阳极和阴极的界面IMC层的生长系数n分别为0.263和0.442,其生长机制可归结为体积扩散。     

Cu/Sn-58Bi/Ni焊点液-固电迁移下Cu和Ni的交互作用

采用浸焊方法制备Cu/Sn-58Bi/Ni线性焊点,研究5×103 A/cm2、170℃条件下液-固电迁移对Cu/Sn-58Bi/Ni线性焊点Cu、Ni交互作用以及界面反应的影响。无论电流方向如何,在液-固电迁移过程中焊点均表现为"极性效应",即阳极界面金属间化合物(IMC)持续生长变厚,且一直厚于阴极界面的IMC。电迁移显著加快了Cu、Ni原子的交互作用。当电子由Ni流向Cu时,在化学势梯度和电子风力的耦合作用下,Ni原子扩散至阳极Cu侧参与界面反应生成(Cu,Ni)6Sn5类型IMC,同时一定量的Cu原子能够逆电子风扩散到Ni侧,参与界面反应生成(Cu,Ni)6Sn5类型IMC;当电子由Cu流向Ni时,大量的Cu原子扩散至Ni侧,并参与界面反应生成(Cu,Ni)6Sn5类型IMC,然而,Ni原子在逆电子风条件下无法扩散至Cu侧,从而使阴极Cu侧界面始终为Cu6Sn5类型IMC。此外,无论电流方向如何,焊点内都没有出现Bi的聚集。     

Cu/Sn-52In/Cu微焊点液-固电迁移行为研究

采用同步辐射实时成像技术对比研究了Cu/Sn-52In/Cu微焊点在120和180℃,2.0×10~4A/cm~2条件下液-固电迁移过程中In、Sn和Cu原子的扩散迁移行为及其对界面反应的影响。由于没有背应力,液-固电迁移条件下Sn-52In焊点中In原子的有效电荷数Z*为负值是其定向扩散迁移至阳极的物理本质,这与Sn-52In焊点固-固电迁移条件下背应力驱使In原子迁移至阴极的机理不同。基于液态金属焓随温度的变化关系,修正了计算液态金属Z*的理论模型,计算获得In原子在120和180℃下的Z*分别为-2.30和-1.14,为电迁移方向提供了判断依据。液-固电迁移过程中In和Cu原子同时由阴极扩散至阳极并参与界面反应使得界面金属间化合物(intermetallic compounds,IMC)生长表现为"极性效应",即阳极界面IMC持续生长变厚,并且厚于阴极界面IMC,温度越高,界面IMC的"极性效应"越显著。液-固电迁移过程中阴极Cu基体的溶解与时间呈抛物线关系,温度越高,阴极Cu的溶解速率越快。     

电载荷作用下温度对微焊点界面扩散的影响（英文）

以Cu/SAC305/Cu为研究对象,研究温度对电迁移过程中界面金属间化合物(IMC)生长及Cu焊盘消耗的影响。试验过程中加载的电流密度为0.76×104 A/cm2,试验温度分别为100、140、160和180°C。分别建立焊点阴极Cu焊盘消耗及阳极界面IMC厚度的本构方程。在电迁移过程中,焊点阴极Cu焊盘消耗量与加载时间呈线性关系,Cu焊盘消耗速率与试样温度呈抛物线关系。阳极界面IMC厚度与加载时间的平方根呈线性关系,且界面IMC的生长速率与试样温度呈抛物线关系。在电迁移过程中,阳极界面IMC生长与阴极Cu焊盘消耗有不同的变化规律,这是由于电流作用下焊点体钎料内形成了大量的IMC。     

电流作用下Cu/Sn-15Bi/Cu焊点的组织演变

对Cu/Sn-15Bi/Cu焊点在150℃下的电迁移组织演变进行了研究. 结果表明,焊点阳极侧出现了近共晶相的偏聚,近共晶相厚度随电迁移时间的延长而逐渐增加;受“电子风”力的影响,钎料中Cu6Sn5金属间化合物逐渐向阳极侧偏聚,此外,由于阴极侧Cu6Sn5界面金属间化合物的脱落,钎料中的Cu6Sn5金属间化合物体积分数逐渐增加;焊点阴极侧界面金属间化合物厚度随电迁移时间延长逐渐增加,阳极侧界面金属间化合物厚度随电迁移时间延长先增加,后降低,当电迁移时间超过5 h后,界面金属间化合物厚度迅速增加.     

Ni/Au镀层与SnPb焊点界面电迁移的极性效应

采用Ni(P)/Au镀层-SnPb焊点-Ni(P)/Au镀层的互连结构,研究电迁移作用下焊点/镀层界面金属间化合物(IMC)的极性生长特性,从电位差和化学位梯度条件下原子定向扩散的角度分析互连结构的微结构变化的微观机制。在无外加应力条件下,由于液态反应速率远远快于固态反应速率,Ni(P)/Au镀层与焊点界面IMC经过120℃、100h的热处理后无明显变化。但是,在电迁移作用下,由于Sn沿电子流方向的定向扩散使阳极界面IMC异常生长,而阴极界面IMC厚度基本不变。由于电子由上层Cu布线进入焊点的电子注入口位于三相结合界面位置,在焦耳热的作用下会导致焊料的局部熔融,引起Cu布线与焊料的反应,使电子注入口的Cu布线合金化。     

Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点电迁移过程中界面应力演变的研究

应用X射线衍射技术原位测量分析了Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点在电流密度为4×103A/cm2的作用下阴极和阳极界面的应力演变。结果表明:焊点阴极和阳极界面的应力演变非常复杂,大致分为4个阶段。第一个阶段,由于金属热膨胀效应促使焊点界面的压应力开始升高;第二个阶段,应力松弛的影响使得压应力开始降低;第三个阶段,电迁移的作用使得阳极界面压应力增加而阴极界面由压应力向拉应力转变;第四个阶段,阳极处晶须和小丘的形成释放了压应力,阴极处的拉应力继续增加。试样抛光后发现,在焊点阳极界面形成了一层厚度均匀的Cu6Sn5金属间化合物。     

电迁移促进Cu/Sn-58Bi/Cu焊点阳极界面Bi层形成的机理分析

研究了Cu/Sn-58Bi/Cu对接接头焊点在电流密度为5×103～1.2×104A/cm2条件下钎料基体中阳极界面Bi层的形成机理.电迁移过程中,Bi元素为主要的扩散迁移元素,在电迁移力的作用下由阴极向阳极进行迁移.由于Bi原子的扩散迁移速度比Sn原子要快,促使Bi原子首先到达阳极界面.大量的Bi原子聚集在阳极界面时,形成了压应力,迫使Sn原子向阴极进行迁移,于是在阳极界面处形成了连续的Bi层.阴极处由于金属原子的离去,形成了拉应力,导致了空洞和裂纹在界面处的形成.Bi层的形态主要分为平坦的Bi层和带有凹槽的Bi层.Bi原子进行扩散迁移的通道有三种:Bi晶界、Sn晶界和Sn/Bi界面.随着电流密度和通电时间的增加,Bi层的厚度逐渐增加.电迁移力和焦耳热的产生成为Bi原子扩散迁移的主要驱动力.     

Sn-6.5Zn钎料/Cu基板焊点界面特征与金属间化合物的形成机理

对255℃时Sn-6.5Zn钎料/Cu基板界面反应及金属间化合物的形成与转化进行热力学计算与分析,并利用SEM、EDS、XRD研究分析255℃不同钎焊时间条件下钎料/Cu基板界面组织与IMC层形态特征。结果表明:Sn-6.5Zn钎料/Cu焊点界面紧靠Cu基板侧形成CuZn层;CuZn IMC有与钎料中的Zn原子继续反应生成Cu5Zn8 IMC的趋势;在相同钎焊温度条件下,不同钎焊时间对界面厚度影响不大;随钎焊时间延长,Sn-6.5Zn钎料/Cu基板焊点界面IMC层的平均厚度增大,界面粗糙度则由于不同钎焊时间IMC在液态钎料中生长与溶解的差异,呈现先增大而后降低到一个均衡值的变化趋势。     

SnCu钎料镀层与Cu/Ni镀层钎焊接头的界面反应

观察了不同焊接工艺条件下钎焊接头界面的微观结构，并对钎焊过程中的界面反应进行分析。探讨了钎缝界面处IMC的生长机制，通过对不同钎焊温度和保温时间下的IMC生长规律的分析建立铜锡化合物厚度与温度和时间的关系方程。结果表明：钎焊过程中SnCu钎料合金镀层与可焊性Cu层的界面处生成金属间化合物Cu6Sn5和Cu3Sn；化合物的生长厚度与焊接时间之间满足抛物线关系，表明化合物的生长为扩散反应控制过程，并随焊接时间的延长化合物的生长速率逐渐下降。     

电迁移对Ni/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点界面反应的影响

研究了温度为150℃,电流密度为5.0×10³A/cm²的条件下电迁移对Ni/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点界面反应的影响.回流焊后在Sn3.0Ag0.5Cu/Ni和Sn3.0Ag0.5Cu/Cu的界面上均形成了（Cu,Ni）₆Sn₅型化合物.时效过程中界面化合物随时效时间增加而增厚,时效800 h后两端的化合物并没有发生转变,仍为（Cu,Ni）₆Sn₅型.电流方向对Cu基板的消耗起着决定作用.当电子从基板端流向芯片端时,电流导致基板端Cu焊盘发生局部快速溶解,并导致裂纹在Sn3.0Ag0.5Cu/（Cu,Ni）₆Sn₅界面产生,溶解到钎料中的Cu原子在钎料中沿着电子运动的方向向阳极扩散,并与钎料中的Sn原子发生反应生成大量的Cu₆Sn₅化合物颗粒.当电子从芯片端流向基板端时,芯片端Ni UBM层没有发生明显的溶解,在靠近阳极界面处的钎料中有少量的Cu₆Sn₅化合物颗粒生成,电迁移800 h后焊点仍保持完好.电迁移过程中无论电子的运动方向如何,均促进了阳极界面处（Cu,Ni）₆Sn₅的生长,阳极界面IMC厚度明显大于阴极界面IMC的厚度.与Ni相比,当Cu作为阴极时焊点更容易在电迁移作用下失效.     

电流密度对Cu/Sn-9Zn/Ni焊点液-固电迁移行为的影响

采用同步辐射实时成像技术对比研究了不同电流密度对Cu/Sn-9Zn/Ni焊点液-固电迁移行为和界面反应的影响。结果表明,当电流密度为5.0×10~3A/cm~2时,无论电子方向如何,钎料中的Zn原子均定向扩散至Cu侧界面参与界面反应,导致Cu侧界面处金属间化合物(intermetallic compounds,IMC)的厚度大于Ni侧界面处IMC的厚度;而当电流密度升高至1.0×10~4和2.0×10~4 A/cm~2时,钎料中的Zn原子均定向扩散至阴极界面,界面IMC的生长表现为"反极性效应",电流密度越高界面IMC的"反极性效应"越显著。液-固电迁移过程中Cu基体消耗明显,特别是在高电流密度条件下,电子从Ni侧流向Cu侧时,Cu基体的溶解厚度与时间呈现线性关系,电流密度越高Cu基体的溶解速率越快。此外,基于焊点中原子电迁移通量J_(em)和化学势通量J_(chem)对Zn原子和Cu在不同电流密度下的迁移行为进行了研究。     

The growth and roughness evolution of intermetallic compounds of Sn–Ag–Cu/Cu interface during soldering reaction

The growth behavior and roughness evolution of intermetallic compounds (IMCs) layer between Sn–3.5Ag, Sn–3.5Ag–0.7Cu, Sn–3.5Ag–1.7Cu and Sn–0.5Ag–4Cu lead-free solder alloys and Cu substrate are investigated during soldering under 250 °C. With the increase of Cu content in Sn–3.5Ag, Sn–3.5Ag–0.7Cu and Sn–3.5Ag–1.7Cu solders, the IMC thickness increases due to the decrease of the dissolution rate of the IMCs. The IMC thickness of Sn–0.5Ag–4Cu is quite thinner in a short soldering time. However, with the increase of soldering time, the IMCs layer grows quickly due to the precipitation effect of the Cu₆Sn₅ in the liquid solder. With the increase of soldering time, the roughness of all the IMC layers increases. The roughness of Sn–3.5Ag–0.7Cu and Sn–3.5Ag–1.7Cu interfaces is larger than that of Sn–3.5Ag while Sn–0.5Ag–4Cu/Cu interface has the smallest roughness value. It is believed that the small IMC roughness of Sn–3.5Ag/Cu interface is caused by the IMCs dissolution, and the large IMC/liquid solder interfacial energy maybe the reason for Sn–0.5Ag–4Cu/Cu interface obtaining the smallest IMC roughness.     

钎焊时间对镀镍SiCP/Al复合材料界面IMC生长的影响

采用Sn-3.0Ag-0.5Cu-3.0Bi钎料对镀镍60%和镀镍15% SiC_P/6063Al复合材料之间进行真空钎焊.采用SEM,XRD对接头界面微观组织和成分进行分析.结果表明,在钎焊过程中,钎料与镍层发生界面反应生成了连续的扇贝状金属间化合物（IMC）,其具体成分为（Cu,Ni）₆Sn₅;该IMC层排列紧凑,生长方向都垂直于界面指向钎料的内部;在钎焊过程中,IMC的生长分为生长速率较快和生长速率较缓慢两个阶段.在270℃,钎焊时间由10 min延长至40 min时,界面IMC层扇贝状形貌不变,晶粒尺寸变大;IMC层厚度增加,但是其厚度增长速率逐渐降低;钎焊接头抗剪强度不断增大.     

Size effect on IMC growth induced by Cu concentration gradient and pinning of Ag3Sn particles during multiple reflows

Size effect on growth kinetics of interfacial intermetallic compound (IMC), induced by Cu concentration gradient and pinning effect of Ag₃Sn particles during multiple reflows, was investigated in this article. The simulation results, for Cu distributions in solder bulks of different volumes after a single reflow for 60 s at 250 °C, show that Cu concentration gradient in liquid increases with the growing size of solder bump. On the contrary, resistive pressure of nano particles decreases gradually with the increasing bump size. In conclusion, the pinning effect of Ag₃Sn particles on IMC grains plays a dominant role in small samples, whereas the inhibiting effect of Cu concentration gradient is mainly functional in big samples. Combining the two factors, solder bump in an intermediate diameter of 800 μm benefits most and has the largest IMC thickness during multiple reflows.     

高电流密度作用下共晶SnBi钎料基体内部金属间化合物生长机制

研究Cu/SnBi/Cu焊点在电流密度分别为8×103,1×104和1.2×104 A/cm2的作用下通电80 h后钎料基体内部金属间化合物 (IMC)的形貌演变。结果表明：电流密度为8×10３ A/cm2时,在焊点的阳极界面出现了大量的形状不规则的IMC,而在阴极界面并未有明显的IMC形成;当电流密度为1×104 A/cm2时,阴极界面的IMC层呈扇贝状,有些IMC已经在界面处脱落,而阳极界面的IMC呈层状,而且厚度要比阴极的薄;当电流密度为1.2×104 A/cm2时,阳极界面的IMC厚度有所增加,但是阴极界面的IMC已经向钎料基体中进行了扩散迁移,使得界面变得凹凸不平。值得注意的是, 随着电流密度的增加,在阳极形成的Bi层的厚度明显增加