Sn基无铅焊料电迁移的各向异性研究

由于Sn的晶体结构属于四方晶系，晶格常数a=b>c，其扩散系数呈现明显的各向异性，因此其电迁移失效也应呈各向异性。本项目拟选用单晶Sn、择优取向多晶Sn和择优取向SnAgCu作为研究对象，研究Sn的晶体取向对Sn及Sn基无铅焊料电迁移失效行为的影响规律。观察当电流沿不同晶体取向通过时无铅互连焊点试样中裂纹与"凸丘"的生成、界面金属间化合物的生长和焊料力学性能和组织结构演化等的差异；澄清Sn的晶体取向对电流驱动下的原子扩散速率、电迁移平均失效时间（MTTF）、临界电流密度jmax和电迁移激活能Q的影响规律。尝试通过变形和热处理方式影响无铅焊料中Sn晶粒的择优取向，以提高无铅互连焊点的电迁移可靠性。

当微凸点缩小到由几个乃至单个晶粒组成时，Sn晶体的各向异性对无铅互连凸点的电迁移失效变得十分关键。本项目研究Sn的晶粒取向对Sn及Sn基无铅焊料电迁移失效行为的影响规律，并尝试通过影响Sn晶粒的择优取向提高无铅互连焊点的电迁移可靠性。. 采用Cu/SnAgCu/Cu、Cu/单晶Sn/Cu和Ni/单晶Sn/Ni互连凸点研究了电迁移极性效应与Sn晶体取向间的关系，发现极性效应随着电流方向与c轴间夹角a增大而减小；且阴阳两极化合物厚度的差值d与cosa的平方近似成正比关系。在对单晶Sn凸点的研究中还发现：当电流方向不与Sn晶体的对称轴平行时，阳极界面上的金属间化合物层不是均匀分布，而是一边宽一边窄，其与Sn之间的界面垂直于Sn晶体的c轴方向。样品阴极的溶解方向也不平行于电流方向，而是转向Sn晶体的c轴方向。此外，样品表面也有IMC形成。表明电迁移下的Sn原子流更接近于Sn晶体的c轴方向而不是电流方向。推导出各向异性晶体材料在电迁移过程中的原子扩散流方程，证实了原子扩散流与电流方向间存在一个夹角，而其在电流方向上的分量则与cosa的平方成正比。理论分析与实验结果相符合。. 采用Cu/Sn/Cu结构的Cu-pillar微凸点进行电迁移实验和电迁移-热循环耦合实验，研究微凸点服役寿命及失效方式与Sn晶体取向的关系。发现当Sn晶体的c轴方向接近电流方向时电迁移极性效应较强，凸点阴极IMC快速溶解，导致阴极界面生成大量孔洞，样品在阴极一侧开裂；同时阳极的IMC快速增厚促使大量Kirkendall孔洞聚集在阳极Cu/Cu3Sn界面上，导致样品在阳极一侧开裂；而当Sn晶体的c轴方向远离电流方向时，极性效应减弱，热应力成为凸点失效的主要原因，且寿命相对较长。. 给出两种延缓无铅焊料电迁移失效的方法：（1）通过预应变处理抑制SnBi焊料电迁移时Bi原子在阳极界面的偏聚，经预应变处理试样经长时间电迁移实验后仍保持着良好的强度。（2）通过磁场下回流使SnAgCu凸点中形成织构，且其c轴方向均远离磁场方向。电迁移实验后，磁场下回流样品的电迁移极性效应明显弱于无磁场回流样品。. 研究了单晶Sn与Cu6Sn5间的位向关系。发现在时效条件下Cu6Sn5与单晶Sn之间遵循三种位向关系；而在电迁移样品中，Cu6Sn5与单晶Sn之间则只遵循其中错配度最小的那一种位向关系。