Sn-Zn基和Sn-Cu-Bi无铅焊球凸点互连电迁移行为及其失效机理研究

本项目拟利用均匀颗粒成型法(Uniform Droplet Spray，UDS)制备添加Bi、Ag、Al等元素的Sn-Zn基合金焊球和Sn-Cu-Bi复合结构焊球，采用非加热镀层连接、V型槽焊球对接、倒装芯片封装技术制备系列焊球凸点互连样品，通过电流加载实验，研究不同电流强度、加载时间下焊点在电迁移过程中的质量输运过程；分析不同材料成分和微观结构条件下焊点处的元素分布情况和金属间化合物的形貌特征；研究电迁移过程中焊点处空洞、突起等缺陷的产生及其生长、演化规律；采用第一性原理及有限元分析方法探索电迁移的微观机理，明确连接失效机制，提出抑制或减缓电迁移失效的措施。UDS方法基于金属射流断裂原理，制备的焊球颗粒具有微观结构可控以及各焊球热力学性能相同等特点。通过UDS焊球凸点互连电流加载实验的前后对比分析，实现焊球凸点互连电迁移现象的机理研究。

本项目系统研究了复合焊球凸点互连样品的电迁移现象及其失效机理。Cu核焊点是以Cu球为核，外层附着焊料合金的一种新型复合结构焊点，它克服了传统焊球在封装过程中共面性差、机械形变严重等不足，提高了焊点的电传导和热传递能力。采用均匀颗粒成型法及包覆法制备Cu核颗粒、Cu核复合结构焊球及碳纳米管增强型复合焊球，摸索最佳工艺参数，解决了样品制备的技术问题。通过Cu核焊点的电迁移实验发现：与传统单一结构焊点相比，Cu核焊点中的界面金属间化合物的生长受到了抑制，样品的寿命加长。通过向Sn-Ag-Cu焊料中掺杂镀镍碳纳米管（Ni-CNT），使其与焊料结合并形成一些导电网络。实验结果表明：Ni-CNT增强型复合焊料能够有效抑制电迁移产生的极化效应。通过焊球凸点互连样品电流加载实验的前后对比分析，采用第一性原理及有限元分析方法探讨了电迁移的微观机理。对Cu/SnZnBi/Cu互连结构焊点在间歇式加电条件下的电迁移行为及界面金属间化合物特性进行了研究，发现由于焊料内部的Sn原子扩散建立的背应力的影响，电流间歇式加载一段时间后的样品阳极界面处金属间化合物的总厚度小于阴极侧的厚度，出现了一种厚度的“逆转”。全面了解复合焊料合金与Cu基板的界面反应及界面金属间化合物的种类、形貌和生长机理，对焊点可靠性的研究具有非常重要的意义，上述研究结果可以为实际的电子封装工业提供重要参考。