高电流密度下锡基钎料焊点显微组织及焦耳热演变规律研究

目前，由于高电流密度在锡基二元钎料内部引发的金属原子或离子运动而导致的电迁移现象已经成为影响微电子工业及相关能源应用领域中可靠性的严重问题。尽管电子风力被认作是金属离原子或离子发生定向迁移的主要动力，但是高电流密度下产生的焦耳热往往决定着金属原子或离子的迁移速率。本项目将利用非接触式红外成像的方法获取样品在不同实验条件下的焦耳热温度变化曲线，系统研究影响焦耳热产生的焊点初始态显微组织及几何形貌；阐明高电流密度引发的钎料显微组织演变和焦耳热温度分布变化之间的联系；确立焦耳热在高电流密度下对钎料显微组织演变所起到的实际贡献；利用能量守恒和热传导方程并结合实验所得数据建立焊点焦耳热产生与演变的数学模型，通过材料参数来预测评估高电流密度下焊点的焦耳热演变趋势，为有效控制焊点热量分布与传递，从而减小电迁移损伤提供理论指导。

虽然在过去20年内世界各地研究机构对焊点电迁移进行了多方面的深入研究与分析。但是，电迁移引发的金属原子或离子的扩散过程较为复杂仍存在诸多问题尚未解决。第一，倒装芯片或球栅阵列焊点结构缺陷导致焊点在通电过程中发生非电迁移失效。当电子流入焊点时会在局部微区内引发较高的电流密度集中效应，此时在负极界面处会出现物质迁移引发的空洞，随着通电时间的增长，空洞会逐步扩展并加剧电流密度集中效应和焦耳热现象，这严重阻碍了研究人员对材料引发的焊点电迁移失效问题的深入认识。第二，不同的研究机构会调整焊点的横截面积大小以及电流输入量以达到电流密度为104 A/cm2。此种做法使得焊点会承载不同的焦耳热效应。同等电流密度和通电时间下，不同的焦耳热效会导致不同的显微组织演变，这不利于对比不同研究机构的实验数据，且无法对焊点电迁移危害作出量化评估。. 本课题设计了具有直角三角形横截面的一维对接钎料接头，消除了电流密度集中效应。在保证同一电流密度（104 A/cm2）下，研究了高焦耳热效应（10 A）和低焦耳热效应（5 A）对共晶SnPb、SnAgCu和SnBi钎料在电迁移作用下的显微组织演变、焦耳热温度场演变，及两者之间的联系。. 高焦耳热效应下共晶SnPb钎料中负极处更容易萌生裂纹，当钎料所处的环境温度提高时，正负极界面处则会分别呈现明显的物质堆积与缺失。共晶SnAgCu钎料中，界面处的Cu6Sn5金属间化合物会在电子风力的作用下会发生明显的定向扩散，且会改变因化学势能梯度引发的Cu元素扩散方向，使柯肯达尔空洞形成在Cu3Sn与钎料基体界面处。高焦耳热作用下富Bi相的定向迁移速率远大于富Sn相，并在较短通电时间内出现完全的两相分离现象。焦耳热引发的焊点温度提升与通入电流、钎料电阻率和热导率以及横截面积有直接关联。钎料的电阻率和热导率的大小取决于钎料基体的显微组织，而高电流密度下的物质扩散可在很大程度上使钎料内部显微组织发生本质变化。即钎料在电流密度作用下的电阻率和热导率不是恒定值。当共晶SnBi钎料内部出现富Sn相与富Bi相的分离时，最大温度值的位置会偏向于正极聚集的Bi层。停止通电时，Cu基板会在瞬间将钎料处的热量吸收致使钎料的温度迅速下降，由于钎料基体内富Sn相与富Bi相存在较大的热膨胀系数不匹配特性，这可在相界面处引发大量裂纹的出现。最后，数值模拟结果与实验测试结果吻合。