不同钎料的电迁移特性研究

1.Sn-Pb钎料

关于Sn-Pb钎料的使用具有悠久的历史，尽管近年来迫于环保的压力，含铅钎料的使用逐渐减少。但Sn-Pb钎料的电迁移现象研究仍对无铅钎料的电迁移研究有着重要的指导意义。共晶Sn-Pb钎料的电迁移通常被认为是以Pb的迁移为主导，原子有三种可能的扩散机制：晶格扩散、晶界扩散、界面扩散，扩散机制受温度变化影响。通过对比共晶Sn-Pb钎料加载交流电与直流电，发现加载高频电流（0.05min），没有发生明显的电迁移现象。加载低频电流（84h），在半个周期后有明显的电迁移现象产生，电迁移现象由于一个周期后表面变得粗糙而得到缓解，表面的粗糙程度随着加载周期的增多而增大。Xu等人研究钎焊接头钎料厚度对电迁移行为影响，结果显示不同厚度的钎料都在阳极出现竹节状的挤出，由电迁移引起的表面起伏，随着钎料厚度的减少而变得越加严重，越小的钎料厚度，引起的电迁移效应越明显。Xu等人分析认为挤出是因为大量的扩散原子受到Cu基板的阻碍而产生压应力产生的，自由表面作为原子主要的扩散通道，温度对原子扩散起决定性作用而非背应力，钎料和铜电极的界面处是主要的热源。上述研究表明：电流频率和钎焊接头尺寸极大地影响电迁移，这为无铅钎料电迁移的研究提供了两个重要的方向。

2.Sn-Cu钎料

Sn-Cu钎料共晶成分为Sn-0.7Cu，熔点为227℃，钎焊接头外观质量好，成本较低，在波峰焊中，Sn-Cu共晶有望成为替代Sn-Pb的最佳钎料。利用X射线衍射仪探究倒装芯片焊点的电迁移现象，试验中没有发现电阻的变化。在1.25×10⁴A/cm加载100h条件下，没有发现明显的晶粒长大。塑性变形几乎没有发生，试样件表面依旧比较平滑。通过在阳极末端（晶粒I）与阴极末端（晶粒Ⅱ）选取两个晶粒进行应力分析发现，晶粒I内部的压应力高达540MPa。晶粒Ⅱ内部不存在拉应力，从而再次论证了Sn晶粒挤出是在电迁移作用下阳极发生电流拥挤的区域产生的。一项利用聚焦离子束对焊点进行标记，通过测量标记点的漂移速度的研究中，在计算机模拟的基础上对电流密度的分布和电迁移速率的分布进了行定量分析。发现当加载平均电流密度为1.26×10⁴A/cm时。出现电流拥挤区域的电流密度最高达4.8×10⁴A/cm，而在一些低电流密度区（低于电迁移门槛值的区域）甚至出现了原子的反向流动。从以上研究可知：在电流拥挤区域通常会出现电迁移现象。这是因为在电流拥挤区域，原子扩散速率最高，该区域也是空洞形成和扩展的发源地。一旦显微空洞形成以后，电流流经此处时得绕过空洞才能继续向前流动，由此导致原子的流动速率在平均电流区域降低，在电流拥挤区域升高。

3.Sn-Ag钎料

Sn-Ag钎料共晶成分为Sn-3.5Ag，熔点为221℃，具有良好的导电性能，抗热疲劳性能良好，目前在回流焊领域有较为广泛的应用。用Cu/Ni/Sn-3.5Ag/Ni/Cu试样模型进行电迁移试验，并将相同温度下的时效试样作对比。结果表明，在Ni/Sn-3.5Ag系统中仅有Ni3Sn 4IMC的形成，160℃时加载试样与时效试样的Ni3Sn4层厚度相同，180℃时加载试样NiSn化合物的生长在阳极和阴极都受到抑制。试验还对Cu/Sn3.5Ag/Cu线形结构焊点在室温下的电迁移行为进行研究。发现当加载474h后在阴极界面处出现显微裂纹，继续加载显微裂纹不断扩展，而阴极与阳极界面处的Cu6Sn5IMC仍然保持原态。研究前处理时效（170℃）对电迁移平均失效时间（MTF）的影响发现，Sn-3.5Ag焊点的MTF随着时效时间的延长在时效25h时达到峰值，该数值是不经时效处理焊点的3.5倍。

采用Ni/Cu双层结构的UBM层对Sn-3.5Ag倒装芯片中焊点的电流拥挤效应可以有效改善，同时能降低扩散速率，提高电迁移的MTF。在中等电流密度（10³A/cm²）条件下，利用Ni/Sn-3.5ANi与Ni-P/Sn-3.5ANi-P两种结构进行比较，会发现加载电流使接头脆化并且脆化程度随电流密度的增加而增大。Ni/Sn-3.5ANi的IMC的生长速度出现极性效应，而Ni-P/Sn-3.5ANi-P则不明显。对Cu/Sn3.5Ag/Au模型进行电迁移试验研究，发现了促使锡须生长的应力来源。由于电迁移加速了Sn原子在IMC附近的集聚。导致IMC晶粒发生旋转，IMC晶粒的旋转给周围的Sn晶粒产生了压应力，在压应力的作用下锡须产生并生长。在添加Zn元素对Sn-Ag钎料的电迁移可靠性与微观结构和影响研究中发现，Zn能与Ag、Cu、Ni形成稳定的化合物，减缓了Cu原子的扩散，提高了Ag₃Sn，Cu₆Sn₅的稳定性并对Cu-Sn的形成产生抑制，从而增强了界面微观结构的稳定性并提高电迁移寿命。电迁移诱导失效可分为两种模型。模型I是Sn晶粒C轴方向与电流的方向不重合，主要依靠Sn原子的自扩散，因此速度较慢；模型Ⅱ中C轴方向与电流的方向高度重合，溶质原子沿着Sn晶粒C轴方向的晶界迅速扩散。

上述研究表明：Sn-Ag钎料的电迁移过程是以Sn原子的扩散为主导，温度对IMC的生长起着非常重要的作用。适当地调节IMC层和UBM层的厚度以及成分有助于提高焊点的电迁移寿命，另外，焊点的电迁移行为与钎料的微观晶体结构也有关。(www.xing528.com)

4.Sn-Ag-Cu钎料

锡银铜（Sn-Ag-Cu）钎料因具有优良的物理性能和力学性能，可靠性高、润湿性好等特点，被公认为是Sn-Pb钎料最主要的替代品。研究加载电流对Sn-3Ag-0.5Cu钎料蠕变行为的影响发现，钎料蠕变速率随着电流密度的增加而增大。但蠕变速率远小于相同温度下等温时效的试样。通过对比铸态、加载电流（4×10³A/cm，200h）、等温时效这三种不同初始状态下，试样在加载前后的蠕变速率，结果发现在加载前，三种试样蠕变速率依次增大，三者的蠕变速率在加载条件下都明显增大，增大的比率都保持在7%左右。在Sn-3Ag-0.5Cu中加入w（Ce）0.5%，（Zn）0.2%可显著改善其力学性能并抑制晶须的生长。但研究发现，Ce和Zn的加入将严重降低电迁移寿命。研究添加w（Sb）1%颗粒的95.5Sn-3.8Ag-0.9Cu复合钎料的电迁移行为，发现加入的Sb全部形成了Sn-Sb颗粒，Sn-Sb颗粒在加载过程中与钎料基体分离且破裂。加载120h后在阳极出现凸起，而在阴极出现裂纹，而复合钎料中裂纹的扩展机制与原钎料有所不同。通常人们认为在电迁移作用下，阳极会形成凸起，而阴极会出现空洞。试验却发现阴极附近也出现凸起，通常认为的拐角处并没有出现最大的凸起，其出现于中间位置。Zhou认为不仅阻碍了原子的阻扩散，IMC层生长还会影响电流密度的分布，产生局部电流拥挤效应。通过UBM（Ti/Cu/Ni）层的厚度对倒装芯片焊点的电迁移寿命的研究发现，增加厚度可以提高Sn-3Ag-0.5Cu倒装芯片焊点的电迁移寿命，在阴极的（Cu、Ni）₆Sn₅IMC中形成裂纹。在长时间的加载后，Sn-Ag-Cu钎料变成80%Cu-Ni-Sn的IMC和20%富Sn相（体积分数）的两相组织，在1.5×10⁴A/cm，120℃条件下加载2354h后，钎料区收缩，甚至消失。可以说Sn-Ag-Cu钎料具有很大的市场前景，对其在复杂工况条件下电迁移行为的研究会是未来的研究重点。对其性能进行改进时，既要考虑到添加合金元素对其力学性能和物理性能的影响，又要兼顾对电迁移行为的影响，IMC层组织的演化与UBM层的设计仍然是关于无铅钎料电迁移行为的研究重点。

5.Sn-Zn钎料

锡锌（Sn-Zn）钎料共晶成分为Sn-9Zn，熔点为199℃，相当接近共晶Sn-Pb钎料的熔点。然而由于Zn很活泼，使得该钎料耐腐蚀性能差，从而限制了其应用范围。通过向覆有Ta/Cu薄膜的氧化硅基板上镀Cu，在中间开槽，用Sn-9Zn钎料将其焊合后进行电迁移试验。结果表明，在阳极附近出现了Sn的挤出，且Sn挤出量随着Zn晶粒度的增大而增多。此过程中，Sn是主要的迁移元素，而Zn的迁移速度极慢。Zn对电迁移行为几乎没有影响，但是Zn的晶粒度大小将会严重影响到Sn的挤出。使用氩离子刻蚀抛光后的Sn-9Zn片，表面镀Cu，然后将其制成圆片，与断面上经过抛光镀Ag的铜线粘接在一起，接着进行电迁移试验。结果发现，加载230h后阴极和阳极的中间部位出现凸起，Sn-9Zn钎料与IMC界面处均出现空洞。在Sn-Zn/Cu界面反应系统中，Cu5Zn8的生长受Cu的扩散主导，而Cu5Zn8的生长会对周围的晶格产生压应力，凸起的产生受压应力与电子风力的共同作用。用Sn-9Zn钎料焊接高纯度的Cu条，再将其加工成200μm×200μm的窄条在3.87×10⁴A/cm，（150±5）℃，氮气保护气氛条件下，进行电迁移试验发现，通电后的前72h内，阴极和阳极的Cu-Zn生长速率几乎相同，但72h过后阳极的IMC厚度逐渐减小，但阴极的IMC生长速率明显加快，这是因为背应力和电迁移共同作用使得Zn向阴极迁移造成的结果。通过上述研究可以看出：Sn的迁移为主导Sn-Zn钎料的电迁移，Zn的迁移影响界面化合物的形成，Zn的晶粒度对电迁移行为影响很大，但目前添加微量合金元素和UBM层的结构对Sn-Zn钎料电迁移影响还不明显。

6.Sn-Bi钎料

Sn-Bi合金共晶成分为Sn-58Bi，熔点138℃。虽然在力学性能上比Sn-Ag-Cu/Sn-Ag系差，但因其低的熔点也引起了人们的关注。有人研究电迁移对Cu/Sn-Bi/Cu线形接头IMC生长的影响，发现在加载过程中Sn-Bi钎料发生严重的两相分离，Bi在阳极聚集，Sn在阴极聚集；电迁移加速两极界面IMC的生长，IMC在阴极界面的生长速度大于阳极界面且与时间成二次曲线关系。作者研究认为在这个过程中温度起着决定性作用。高温下（≥50℃）Sn、Bi同时向阳极迁移，但Bi的迁移速度更快，并阻碍Sn的迁移。低温下（≤23℃）由于钎料表面的刚性保护作用阻碍原子的扩散，Sn原子在背应力的驱使下逆着电子流方向向阴极聚集。稀土是表面活性元素，适当添加可降低界面和晶界的能量，从而降低元素的溶解速率和晶界滑移速率，提高焊点的电迁移寿命。另有研究发现添加稀土元素的Sn-Bi钎料晶粒粗化程度明显降低，电迁移阻力明显增大。