微尺度焊点在电迁移作用下变形行为的实验研究

电子封装微焊点内部电流密度的增加引发了电迁移和力－热－电多物理场的耦合现象, 导致了微焊点的电致断裂等新型的失效模式。为了建立唯象的、考虑电迁移因素在内的理论模型以便对微焊点的可靠性加以评估，必须研究电迁移与宏观力学参数之间的关系，其中电迁移驱动的质流扩散所导致的塑性变形及其影响因素的探索是一个关键。本项目拟针对这一问题开展系统的实验研究，主要内容包括：试件的优化设计以确保实验结果的处理；利用偏光显微镜等在线观察不同实验条件下电迁移造成的试件微结构的演化，并确定最佳测试条件；利用聚焦粒子束微加工技术在试件表面制作高密度光栅，并获取最佳制作工艺；将扫描电镜（SEM）或原子力显微镜（AFM）的高空间分辨率和云纹法相结合，测试微焊点的电致变形，研究其与温度和电流密度之间的关系；以电致变形为判据之一，研究外应力对电迁移的影响等。上述工作对微焊点电致失效机制的探索也具有重要作用。

除了热疲劳因素外，电迁移是微焊点的另一个主要失效因素。电迁移本质上同应力迁移（即金属蠕变）一样，是一种微观的质量扩散运动。只有将电迁移造成的失效同热疲劳失效一样，采用宏观的力学量和唯象学的方法加以表征和预测，才能对微焊点的可靠性做出全面、准确的评价。这是本项目的科学背景。.本项目的主要研究内容和成果总结如下：.1、微焊点在电迁移作用下微结构的演化.本项目对微焊点在室温和高温（125C）条件下电迁移过程中的微结构变化做了较系统和深入的研究。室温下，阴极的金属间化合物（IMC）厚度减少并且出现与焊点之间的界面裂纹，阳极出现凸丘。而高温下阴极处的IMC消耗速度加快，界面裂纹还可能出现Cu引线和焊点材料之间，而阳极出现焊点材料的潮涌现象，将IMC覆盖。一个最重要的发现是阴阳极处的Cu3Sn在焊点高温电迁移过程中由最初的层状变为颗粒状，于此同时，毗邻的Cu引线上也出现诸多微孔。这种现象尚未见到其它报道。.2、微焊点电致塑性变形的测试及有限元计算方法 .通过上一步的研究，基本上确定电致变形的测试条件（主要是温度和电流的选择：既要有电迁移发生，失效时间又不能过短或过长），采用云纹干涉法测试了微焊点在室温和125C下的电致塑性变形场。另外，我们从描述电迁移的及其影响因素（电子风力，温度梯度，应力梯度和空位浓度）的控制方程出发，通过有限元二次开发，建立了电致应力和塑性变形的有限元数值计算方法。将有限的电致变形测试结果用于验证有限元算法的正确性或确定有限元算法模型中的参数后，得到了电致应力/变形的一般性算法。这个成果是尚未见到国内其他报道，超越了原计划的研究目标。.3、研究外应力对电迁移或电致变形的影响.在本项研究中课题组首先巧妙地制作了两组微焊点试件（每组试件32个），这两组试件微焊点电流出入端的应力性质一样，但分别为压应力与拉应力，其它条件完全不变。在历时一年多的电迁移实验中，分别记录了每个试件的电迁移寿命，并对每组试件的寿命进行了Weibull统计，获得了两组试件的平均寿命并进行了对比。结果表明：电流出入端为压应力的那组试件的平均电迁移寿命（5013小时）长于另一组（4375小时）。同时，我们采用有限元方法，分析了电流出入端处的应力性质对其空位浓度随时间变化的影响做了分析，不但证实了实验结果，而且得出最佳方案是：电流从焊点的受压端进，受拉端出。以上结果为电路的优化设计提供了依据。