微焊点界面柯肯达尔空洞机理研究

微焊点互连界面产生的高浓度柯肯达尔孔洞对封装结构的可靠性产生了严重威胁。本研究采用恒温热老化加速试验和第一性原理方法，揭示微焊点界面柯肯达尔孔洞的形成与演变机理，探寻抑制孔洞的方法。通过分析不同界面偶的微观特征，初步建立柯肯达尔孔洞与界面化合物层间的相关性描述方程。计算分析界面常见化合物的基本性质，探讨掺杂对其稳定性的影响，并揭示不同掺杂对原子扩散行为的影响规律，建立原子-化合物扩散模型。基于扩散理论和守恒定律，构建柯肯达尔孔洞-化合物层的相关模型。通过该模型，从理论上探讨钎料合金化控制原子界面扩散行为的方法，选择合适的合金元素，降低Cu、Sn原子的界面互扩散差值，达到抑制孔洞的目的。本研究对于扩展柯肯达尔理论、指导设计可靠焊点均具有重要的意义。

微焊点广泛应用于电子封装中，其可靠性问题受到广泛关注。Kirkendall空洞主要形成于Cu3Sn/Cu界面，随着老化时间延长，其浓度逐渐增大。由于其显著减小界面结合面积，会恶化接头力学、电学性能，对电子产品的性能及寿命产生潜在威胁。本项目通过钎料合金成分设计、搭建加速老化试验平台等，采用电子显微镜、扫描电镜、能谱等对不同组合的反应界面演变情况进行了系统等研究。研究结果表明，Cu6Sn5和Cu3Sn是典型的界面产物。对于纯Sn/高纯Cu接头，Cu3Sn的生长速度明显快于Cu6Sn5，老化到一定阶段，化合物层生长进入稳态阶段，Cu3Sn化合物层的厚度与Cu6Sn5相当。Ag和Cu合金元素会减缓Cu3Sn的生长，微量的Ni、Zn、Ge甚至会完全抑制Cu3Sn。高纯Cu作为焊盘时，界面不会产生Kirkendall空洞，然而采用电镀Cu和真空溅射Cu膜，反应界面上都会出现不同程度的Kirkendall空洞现象。电镀Cu和真空溅射Cu以柱状晶的形式垂直于基板表面生长，晶粒直径为数百纳米至1微米。相对于高纯Cu，扩散通道增加。另一方面，电镀Cu中含有杂质，而真空溅射Cu中不含杂质。因此，基于扩散理论和界面反应动力学，原子的不平衡扩散以及镀层表面的杂质是形成KIrkendall空洞的主要因素。镀层柱状晶越细小，Cu原子的迁出通量越大，越能促进Kirkendall空洞的形成。同时，镀层杂质浓度越高，Kirkendall空洞的浓度越高，甚至会演变为微裂纹或贯穿界面的开裂。考虑到Kirkendall空洞浓度随Cu3Sn化合物层的厚度增加而提升，提出可以通过控制Cu3Sn化合物层的生长达到抑制Kirkendall空洞的目的。采用第一性原理，构建了界面基本化合物相Cu3Sn、Cu6Sn5的晶体模型，计算表明，Cu3Sn比Cu6Sn5稳定。因此，在老化阶段，Cu6Sn5会转变为Cu3Sn。Cu6Sn5经过Co、Fe、Ni、Zn等元素的掺杂后，因为轨道杂化，键合加强，形成能降低，稳定性高于Cu3Sn，表明可以通过它们的微合金化，抑制Cu3Sn的生长，从而降低Kirkendall空洞的浓度，试验也证实了这一观点。这个结论也成为设计抑制Kirkendall 空洞的钎料成分及焊盘的理论依据。