無(wú)鉛錫膏電遷移對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響
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無(wú)鉛錫膏電遷移對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響
隨著電子設(shè)備需求的增加和日趨的小型化，電遷移不僅對(duì)集成電路的可靠性提出了挑戰(zhàn)，而且對(duì)電子封裝的可靠性也提出了挑戰(zhàn)。電遷移是影響錫膏焊點(diǎn)可靠性的因素之一。在電子設(shè)備使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流應(yīng)力在錫膏焊點(diǎn)處形成一定的電流密度，且隨著I/O數(shù)量越來(lái)越多，電流密度也隨之加大。電流密度是原子的遷移和金屬間化合物生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力。隨著時(shí)間推移，持續(xù)的電流應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)路問(wèn)題。
電遷移是由移動(dòng)電子的動(dòng)量轉(zhuǎn)移引起的金屬離子的擴(kuò)散，電遷移發(fā)生條件是元件存在陽(yáng)極和陰極。在電流應(yīng)力作用下，互連焊點(diǎn)中的定向原子傳輸加速了UBM消耗和IMC層的不對(duì)稱生長(zhǎng)，并導(dǎo)致空隙、裂紋等缺陷。無(wú)鉛錫膏容易出現(xiàn)電遷移，是因?yàn)闊o(wú)鉛錫膏熔點(diǎn)較低導(dǎo)致較高的擴(kuò)散率。快速的電遷移會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)失效。AbdelAziz et al. (2021)測(cè)試了SAC305錫膏焊點(diǎn)的電阻的變化，發(fā)現(xiàn)在300多小時(shí)的時(shí)候電阻率迅速上升，意味著電遷移的發(fā)生 (圖1)。并且焊點(diǎn)裂紋和空洞也隨著時(shí)間變化。
圖1. SAC305錫膏焊點(diǎn)電阻測(cè)試結(jié)果，電流=5A (AbdelAziz et al., 2021)。
圖2. SAC305錫膏焊點(diǎn)不同時(shí)間下的微觀剖面圖, (a) 0, (b) 102, (c) 139, (d) 171 and (e) 276 h (AbdelAziz et al., 2021)。
從圖2可以看到，隨著時(shí)間發(fā)展，SAC305錫膏焊點(diǎn)頂部和底部左下角出現(xiàn)了裂紋，且在焊點(diǎn)上方出現(xiàn)了空洞(黑色區(qū)域)。
類似的，Zuo et al. (2015)對(duì)共晶SnBi錫膏的電遷移測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在電和熱應(yīng)力耦合作用測(cè)試后期，高電流密度造成電遷移，改變了由質(zhì)量傳輸引起的界面力學(xué)，加快生成金屬間化合物，并導(dǎo)致了最終的焊點(diǎn)失效。Zuo et al.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在260小時(shí)電熱耦合應(yīng)力作用后，焊點(diǎn)出現(xiàn)了明顯的空洞和棒狀鉍擠壓(extrusions) (圖3)。 裂紋已經(jīng)進(jìn)一步發(fā)展，并且Cu-Sn金屬間化合物厚度越來(lái)越大，呈現(xiàn)出和時(shí)間的正相關(guān)關(guān)系。
圖3. SnBi58錫膏在電流密度2x103A/cm2和熱循環(huán)狀態(tài)下測(cè)試260小時(shí)后的SEM圖；(a)陰極，(b)陽(yáng)極 (Zuo et al., 2015)。
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參考文獻(xiàn)
AbdelAziz, M., Xu, D.E., Wang, G.T., & Mayer, M. (2021), “Electromigration in solder joints: A cross-sectioned model system for real-time observation”, Microelectronics Reliability, vol.119.
Zuo, Y., Ma, L.M., Liu, S.H., Shu, Y.T., & Guo, F. (2013), “Evolution of Microstructure Across Eutectic Sn-Bi Solder Joints Under Simultaneous Thermal Cycling and Current Stressing”, Journal of Electronic Materials, vol.44.
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