论文部分内容阅读
随着焊点尺寸的微型化，单个焊点中往往只包含几个乃至一个晶粒，由于锡晶体结构的各向异性，焊点的性能及可靠性会随着锡晶体的取向而变化。因此，澄清焊点可靠性与锡晶体取向间的关系具有重要意义。本文主要着眼于以下几个方面开展了研究工作:(1)锡晶体取向对焊点电迁移性能的影响规律;(2)寻找控制锡晶体取向以改善焊点电迁移性能的方法;(3)锡与Cu6Sn5间的位相关系。 研究了Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu结构互连焊点电迁移极性效应与焊料中锡晶体取向间的关系。研究结果表明，在相同的电迁移实验条件下（1.5×104A/cm2通电250h），焊点阴阳两极化合物层厚度差（极性效应⊿d）随锡晶体取向的不同变化显著（从0.2μm到18.1μm），极性效应随着电场方向与c轴夹角α增大而减小。考虑到晶体的各向异性，以二阶张量形式表示原子扩散系数，推导出了各向异性晶体中的电迁移原子流方程。该方程与实验结果相符合。此外，该方程揭示了焊点中的原子流方向实际上不是沿着电流方向，而是在晶体取向的影响下发生了偏转，这解释了电迁移样品中阳极化合物梯度生长，阴极Cu基体溶解锯齿方向接近c轴的原因。 研究了以锡的(001)、(101)、(301)和(100)为界面的单晶凸点中界面化合物形貌在电迁移实验中的变化规律。发现:在(001)和(101)样品中，阳极的化合物迅速变厚;而在(301)和(100)样品中，阳极化合物厚度则几乎没有变化。在(001)样品中，阳极化合物厚度均匀，阴极溶解方向平行于电流方向;而在(101)和(301)样品中，阴极界面的Cu的溶解方向不沿电流方向。(101)样品中，阳极化合物厚度不均匀，并且出现阳极界面上一段化合物基本不增长的现象。由于(101)和(301)样品中，Cu原子流会分别偏离电流方向26.3°和54.83°，靠近c轴方向，从而造成阴极界面溶解方向偏离电流方向，同时阳极界面上的化合物厚度不均匀的现象。此外，由于原子流的偏转，样品表面会形成颗粒状的Cu6Sn5。 研究了磁场下回流对SnAgCu焊点组织结构及电迁移性能的影响。采用EBSD方法观察0.3T磁场中回流得到的焊点，发现磁场会使焊点中形成c轴远离磁场方向的锡织构。当回流中的磁场方向与通电电流方向一致时，焊点具有良好的抗电迁移性能。理论分析认为:锡具有磁各向异性，且c轴方向的磁化率xc小于a轴方向的磁化率xa，因此，锡在磁场中凝固时，c轴远离磁场方向的晶核更容易形核长大，以使体系具有更低的自由能;新形成的晶核也会倾向于其c轴向远离磁场方向发生偏转，凝固后就会形成c轴垂直于磁场方向的织构。 在经100℃时效12d后的Cu/(001)、(101)、(301)、(100)单晶锡/Cu焊点中，观察到Cu6Sn5的晶体取向与单晶锡遵循以下三种取向关系:(211)Sn//(10-1-1)Cu6Sn5,[-1-13]Sn//[11-23]Cu6Sn5,[0-11]Sn//[2-1-13]Cu6Sn5,[1-1-1]Sn//[-12-10]Cu6Sn5;(1-11)Sn//(1-100)Cu6Sn5,[10-1]Sn//[11-2-3]Cu6Sn5,[011]Sn//[11-23]Cu6Sn5;(1-10)Sn//(10-1-1)Cu6Sn5,[11-3]Sn∥[11-23]Cu6Sn5,[001]Sn//[-12-13]Cu6Sn5,[111]Sn//[2-1-10]Cu6Sn5。 计算表明这三种取向关系的错配度均小于6％，为共格界面。统计所有样品中(001)、(101)、(301)、(100)单晶锡/Cu焊点中Cu6Sn5的晶体取向发现:(001)Sn/Cu焊点中，接近90％的Cu6Sn5晶粒遵循第三种取向关系;(101)Sn/Cu焊点中，超过50％Cu6Sn5晶粒遵循第一种取向关系;(301)和(100)Sn/Cu焊点中，一半左右的Cu6Sn5晶粒则遵循第二种取向关系。 在经110℃，1.5×104A/cm2，120h电迁移实验的单晶焊点中，发现(001)、(101)、(301)单晶焊点有明显极性效应发生，其阳极生成的Cu6Sn5取向分布集中，每种样品只有四种以内不同取向的晶粒。焊点中Cu6Sn5晶体取向几乎全部遵循时效样品中的第二种取向关系:(1-11)Sn//(1-100) Cu6Sn5,[10-1]Sn//[11-2-3]Cu6Sn5，[011]Sn//[11-23]Cu6Sn5。这种取向关系具有最小的错配度。而没有发生明显极性效应的(100)单晶锡/Cu焊点中Cu6Sn5的晶体取向分布情况与时效样品一致。