倒装芯片微焊点微观组织不均匀性和电迁移行为之间的相互影响及作用机制研究

Flip chip packaging is the development tendency of electronic packaging for integrated circuit and electronic components because of advantages such as high density packaging, high performance and light in weight. With the increasing demands of high density packaging, the dimension of flip chip microscale solder joints is decreasing continuously, which induces the very limited grains, obvious microstructure inhomogeneity and high current density load. In the present project, the influence of solder volume and size on the microstructure characteristics of solder joint is studied, and physical models of phase growth and microstructure evolution will be clarified. Thereafter, new techniques and methods will be explored to investigate different physical and material properties of various phases in the microstructure. Meanwhile, microstructure of solder joint will be simulated by physical models of phase growth and microstructure evolution, and finite element models containing phase material attributes will be modeled accordingly. Finally, based on large amounts of experimental observation and testing data, finite element models containing microstructures will be solved and analyzed under current loads, and then interaction effects and mechanisms of action between microstructure inhomogeneity and electromigration behavior in microscale solder joints of flip chip packaging will be clarified.

倒装芯片封装由于高密度、高性能、轻薄小等优点成为电子封装技术的发展趋势。为满足高密度封装的要求，倒装芯片焊点尺寸持续减小，由此导致晶粒数量非常有限且微观组织呈明显不均匀性，同时造成焊点服役电流密度剧烈增加。本项目首先研究极小尺寸条件下倒装焊点回流焊接过程中焊点钎料体体积及几何结构对焊后微观组织共晶相和IMC相的大小、形态、分布及取向特征的影响，阐明焊点微观组织形态特征的尺寸效应，并建立焊点微观组织生长演化模型；然后，采用新颖方法对微观组织不同组成相的材料和物理性能进行试验测量，再通过电迁移试验揭示微焊点微观组织不同相中电迁移参数差异并阐明组织不均匀性对电迁移行为的影响，同时将基于试验建立的微观组织生长演化模型转换为包含不同相属性信息的有限元模型；最后，结合试验条件和测试结果，实现微观组织在电流载荷下的有限元求解分析及组织演变模拟，阐明微观组织不均匀性和电迁移行为之间的相互影响和作用机制。

项目首先研究了极小尺寸Cu/Sn58Bi/Cu焊点界面金属间化合物层和共晶组织特征对电迁移行为的影响。项目提出了三种微观组织有限元建模和分析方法：(a)基于数字图像识别的快速有限元建模和分析；(b)基于Potts模型的有限元建模和分析以及(c)数字图像识别和Potts模型相结合的有限元建模。项目成功制备了富Sn相和富Bi相两种固溶体合金，并测试了与电迁移相关的电学和热学物理参量。研究结果指出，由焊点钎料体富Sn相和富Bi相材料属性差异导致的共晶组织电流密度差异可达2个数量级，存在明显的电流密度集中现象；富Sn相中的电流密度明显高于富Bi相中的电流密度，微观组织中高电流密度位于富Sn相和富Bi相之间的相界附近以及Sn相中靠近相界的区域。由于电流密度被认为是电迁移的主要驱动力，因此认为钎料体微观组织不均匀性造成的电流拥挤效应会影响焊点电迁移行为，由于富Sn相电流密度明显较高，富Sn相中的富Bi相容易溶解，富Sn相中的Bi原子也更容易发生扩散迁移现象，模拟结果与试验观察结果一致。微观组织中共晶相的粗细对两相中电流密度分布特征的影响非常有限，考虑到相界面积增大将会促进原子在电流载荷下的扩散与迁移，认为细化共晶组织的方法并不有助于降低两相中的电流拥挤效应。电流载荷作用下，共晶组织有组织粗化的趋势，这种粗化趋势有助于降低原子电迁移行为。与焊点钎料体中共晶相成分和物理性能差异相比，界面金属间化合物层厚度和形貌对电流密度的影响非常有限。.另外，项目评估了温度梯度对SnBi共晶电迁移行为的影响，研究结果表明项目测试条件下温度梯度导致的原子扩散通量要远远小于电流密度造成的原子扩散通量。此外，考虑到电流密度、温度梯度和应力梯度均被认为是原子电迁移驱动力，项目采用第一性原理方法研究了倒装芯片材料GaN和倒装芯片焊点界面金属间化合物Cu3Sn的物理性能，发现两种材料存在明显的物理性能和力学性能各向异性。