電遷移極性效應(yīng)及其對(duì)Sn-3.0Ag-0.5Cu無鉛焊點(diǎn)拉伸性能的影響

姚 健，衛(wèi)國(guó)強(qiáng)，石永華，谷 豐

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640)

電遷移極性效應(yīng)及其對(duì)Sn-3.0Ag-0.5Cu無鉛焊點(diǎn)拉伸性能的影響

姚 健，衛(wèi)國(guó)強(qiáng)，石永華，谷 豐

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640)

采用掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)和微拉伸實(shí)驗(yàn)，研究Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu對(duì)接焊點(diǎn)在不同電遷移時(shí)間下陽極、陰極界面金屬間化合物(IMC)的生長(zhǎng)演變規(guī)律及焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度的變化，同時(shí)對(duì)互連焊點(diǎn)的斷口形貌及斷裂模式進(jìn)行分析。結(jié)果表明：在電流密度(J)為1.78×104A/cm2、溫度為373 K的加載條件下，隨著加載時(shí)間的延長(zhǎng)，焊點(diǎn)界面IMC的生長(zhǎng)呈現(xiàn)明顯的極性效應(yīng)，陽極界面IMC增厚，陰極界面IMC減薄，且陽極界面IMC的生長(zhǎng)符合拋物線規(guī)律；同時(shí)，互連焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度不斷下降，焊點(diǎn)的斷裂模式由塑性斷裂逐漸向脆性斷裂轉(zhuǎn)變，斷裂位置由焊點(diǎn)中心向陰極界面處轉(zhuǎn)移。

界面化合物；電遷移；極性效應(yīng)；抗拉強(qiáng)度；斷裂

隨著電子產(chǎn)品向微型化、多功能化的方向發(fā)展，電子封裝密度不斷增加，封裝互連焊點(diǎn)的尺寸越來越小，焊點(diǎn)承受的電流密度急劇增加，導(dǎo)致焊點(diǎn)內(nèi)部產(chǎn)生電遷移效應(yīng)。電遷移效應(yīng)是由電子風(fēng)力引起的原子遷移現(xiàn)象。電遷移效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致互連焊點(diǎn)產(chǎn)生凸起(Hillock)和空洞(Void)、界面化合物(IMC)的生長(zhǎng)和溶解以及晶粒粗化等缺陷，從而導(dǎo)致焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)完整性損傷和力學(xué)性能退化。因此，電遷移效應(yīng)引起的焊點(diǎn)失效現(xiàn)已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1?5]。

互連焊點(diǎn)界面IMC的生長(zhǎng)演變是影響焊點(diǎn)服役可靠性的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)階段人們對(duì)互連焊點(diǎn)在電遷移作用下界面 IMC的生長(zhǎng)演變規(guī)律進(jìn)行了大量的研究。沒有電流加載時(shí)，界面IMC的生長(zhǎng)符合拋物線規(guī)律[6?8]。GAN 等[9]研 究 了 在 電 遷 移 作 用 下Cu/Sn3.8Ag0.7Cu/Cu焊點(diǎn)界面 IMC的生長(zhǎng)變化，發(fā)現(xiàn)陽極IMC的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)符合拋物線規(guī)律。而CHAE等[10]在 5.2×104A/cm2電流密度下研究 Cu/SnAg/Cu和Ni/SnAg/Ni互連焊點(diǎn)，卻發(fā)現(xiàn)IMC的生長(zhǎng)與時(shí)間成線性關(guān)系。同時(shí)，CHAO等[11?12]推導(dǎo)出當(dāng)電遷移驅(qū)動(dòng)力主導(dǎo)擴(kuò)散時(shí)界面 IMC隨時(shí)間線性生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)模型。通常認(rèn)為陰極界面 IMC是逐漸溶解并減薄的過程，但是當(dāng)IMC的溶解和Cu的遷移達(dá)到動(dòng)力學(xué)平衡態(tài)時(shí)，陰極界面IMC的厚度就會(huì)趨于穩(wěn)定化[2,13]。

迄今為止，有關(guān)電遷移效應(yīng)對(duì)互連焊點(diǎn)力學(xué)性能的影響的研究還較少，且研究對(duì)象主要集中在倒裝芯片互連焊點(diǎn)上。但倒裝芯片加載電流時(shí)會(huì)在電流入口處產(chǎn)生“電流擁擠”效應(yīng)，造成電流密度和溫度分布不均勻[14?15]。為了研究電遷移單因素的影響，本文作者采用對(duì)接互連焊點(diǎn)為研究對(duì)象，在保證電流密度和溫度分布均勻的條件下，研究電遷移作用下界面IMC生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律及其對(duì)焊點(diǎn)力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣制備

母材為純銅引線(99.95%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)；直徑 0.5 mm)，剪裁后用1000號(hào)砂紙將端面磨平并保證端面和銅線軸線垂直。釬焊前，試樣經(jīng)5%(體積分?jǐn)?shù))HCl清洗，然后用去離子水沖洗，再用無水乙醇清洗，風(fēng)干待用。釬料為Sn-3.0Ag-0.5Cu無鉛釬料，釬料球直徑為0.7 mm。母材及釬料球按圖1所示方式裝配在鋁板的V形槽內(nèi)并固定，采用中活性釬劑，加入量為2～3滴。把裝配好的試樣放在加熱板上，加熱板溫度為260℃，待釬料熔化后保溫 15s，然后空冷到室溫。釬焊后的試樣用研磨膏仔細(xì)打磨至焊點(diǎn)外輪廓線和銅線平齊，電遷移實(shí)驗(yàn)前試樣外觀形貌如圖2所示。

1.2 電遷移實(shí)驗(yàn)

把準(zhǔn)備好的試樣裝在電遷移實(shí)驗(yàn)夾具上，用紫銅板壓住試樣，在銅板上鑲有高導(dǎo)熱率的氮化鋁陶瓷以防止電流分流。在紫銅板和試樣之間涂覆一層導(dǎo)熱硅膠，以便試樣散熱良好，電遷移實(shí)驗(yàn)溫度通過使用不同厚度和大小的紫銅板來調(diào)節(jié)。本實(shí)驗(yàn)加載電流密度為1.78×104A/cm2，焊點(diǎn)溫度為(373±2) K，加載時(shí)間分別為30、60、120和200 h。

圖1 試樣裝配示意圖Fig.1 Schematic diagram of sample assembly

圖2 打磨后的釬焊接頭宏觀形貌Fig.2 Marcrostructure of polished solder joint

1.3 界面IMC形貌檢測(cè)

經(jīng)過電遷移實(shí)驗(yàn)后的試樣用環(huán)氧樹脂固封，依次采用600號(hào)、800號(hào)、1000號(hào)、1200號(hào)、2000號(hào)水磨砂紙沿著焊點(diǎn)垂直截面研磨，然后用0.5 μm的金剛石噴霧拋光劑拋光，再使用 4%(HCL+C2H5OH)(體積分?jǐn)?shù))進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間為10～15 s。利用掃描電鏡觀察焊點(diǎn)陽極、陰極界面 IMC的微觀形貌，然后利用Image-Pro Plus 6.0軟件計(jì)算出IMC的平均厚度(IMC面積除以界面長(zhǎng)度)。

1.4 拉伸實(shí)驗(yàn)

經(jīng)電遷移實(shí)驗(yàn)后的試樣用微拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)(拉伸速率0.1 mm/min)，測(cè)試抗拉強(qiáng)度。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)重復(fù)3次，然后取平均值。利用掃描電鏡觀察斷口形貌，評(píng)價(jià)電遷移對(duì)Sn-3.0Ag-0.5Cu焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度及斷裂機(jī)理的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 電遷移現(xiàn)象及界面成分分析

圖 3(a)所示為原始試樣界面 IMC的形貌，界面IMC由扇貝型Cu6Sn5相構(gòu)成，在當(dāng)前分辨率下未檢測(cè)到Cu3Sn相，Cu6Sn5相的厚度約為1.81 μm。圖3(b)和(c)所示分別為焊點(diǎn)陽極、陰極界面IMC在電流密度為1.78×104A/cm2、溫度為373 K條件下加載200 h后的形貌。從圖3(b)和(c)可以看出，陽極界面IMC的生長(zhǎng)得以增強(qiáng)，界面IMC的厚度達(dá)到8.45 μm，陰極界面IMC明顯減薄，界面IMC的厚度為0.91 μm。同時(shí)在釬料/IMC界面處，局部位置出現(xiàn)空洞，但空洞并沒有聚集形成微裂紋，說明互連焊點(diǎn)在這樣的加載條件下，并沒有完全失效。由于試樣是在電流加載后經(jīng)研磨切片進(jìn)行分析的，所以沒有看到陽極的凸起。

圖3 電流密度為1.78×104 A/cm2、溫度為373 K時(shí)電流加載前后界面IMC的微觀形貌Fig.3 Micrographs of interfacial IMC before(a) and after((b),(c)) current stressing at J=1.78×104 A/cm2 and T=373 K for 200 h: (a) Before electric stressing; (b) Anode; (c) Cathode

圖4 圖3(b)中陽極界面的EDS成分分析結(jié)果Fig.4 EDS composition analysis results at interface of anode shown in Fig.3(b): (a) Point 1; (b) Point 2; (c) Point 3

為了探明在電流載荷作用下界面 IMC相組成是否有變化，對(duì)圖3(b)中界面區(qū)進(jìn)行了EDS分析，結(jié)果如圖4所示。檢測(cè)結(jié)果表明，界面IMC由兩相組成，靠近釬料邊為 Cu6Sn5(點(diǎn) 3：x(Sn)=46.68%，x(Cu)=53.32%)，靠近基體邊為Cu3Sn(點(diǎn)2：x(Sn)=26.95%，x(Cu)=73.05%)。這和等溫時(shí)效過程中形成的界面IMC的相組成[6]是一致的，說明電遷移效應(yīng)只會(huì)促進(jìn)和抑制焊點(diǎn)界面IMC的生長(zhǎng)，并不會(huì)導(dǎo)致新相的產(chǎn)生。2.2 電遷移極性效應(yīng)對(duì)界面IMC生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的影響

圖5 陽極界面和陰極界面IMC形貌隨加載時(shí)間的變化Fig.5 Micrographs evolution of interfacial IMC at anode (left) and cathode (right) with stressing time: (a), (b) 30 h; (c), (d) 60 h;(e), (f) 120 h; (g), (h) 200 h

圖5 所示為1.78×104A/cm2電流密度、溫度為373 K不同加載時(shí)間下界面IMC的形貌變化。比較圖5(a)和3(a)可以看出：電流載荷作用30 h后，Cu6Sn5的貝狀形貌消失，IMC/釬料界面趨于平整。當(dāng)加載時(shí)間延長(zhǎng)到60 h時(shí)，陽極界面IMC明顯增厚(見圖5(c))，陰極界面IMC略為減薄(見圖5(d))。加載時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)到120 h后，陽極界面IMC仍在增厚(見圖5(e))，而陰極界面IMC層則越來越薄(見圖5(f))。隨著時(shí)間延長(zhǎng)至200 h時(shí)，陰極界面層已經(jīng)很難分辨(見圖5(h))。這與時(shí)效時(shí)界面 IMC的生長(zhǎng)演變有所不同，可能和Cu6Sn5不同的長(zhǎng)大機(jī)制有關(guān)，有待進(jìn)一步的研究。

圖6所示為利用Image-Pro Plus 6.0軟件測(cè)算出的陽極、陰極界面 IMC厚度隨電流加載時(shí)間的變化情況。由圖6可知，隨著電流加載時(shí)間的延長(zhǎng)，陽極界面IMC不斷增厚，且陽極IMC的生長(zhǎng)符合拋物線規(guī)律，這說明電遷移效應(yīng)引起的原子遷移主要受擴(kuò)散控制。陰極界面IMC層的厚度在逐漸減薄，但由于數(shù)據(jù)變化小，所以變化規(guī)律不明顯。由圖6還可以看出，陰極界面 IMC厚度減薄的速率遠(yuǎn)小于陽極界面 IMC厚度增加的速率。

圖6 界面IMC厚度隨電流加載時(shí)間的變化Fig. 6 Change of interfacial IMC thickness with electric stressing time

2.3 力學(xué)性能測(cè)試及斷口形貌分析

圖7所示為J=1.78×104A/cm2、T=373 K實(shí)驗(yàn)條件下，不同電流加載時(shí)間對(duì)焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度的影響。由圖7可以看出，隨著加載時(shí)間的增加，焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度幾乎隨時(shí)間直線下降。加載200 h后，其強(qiáng)度是釬焊后未加載試樣的54%，說明電遷移極性效應(yīng)會(huì)顯著降低焊點(diǎn)的力學(xué)性能。

圖7 電流加載時(shí)間對(duì)焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度的影響Fig.7 Influence of electric stressing time on ultimate tensile strength of solder joints

圖 8 不同電流加載時(shí)間下焊點(diǎn)的斷口形貌Fig.8 Morphologies of fracture surface after different electric stressing times:(a) 0 h; (b) 30 h; (c) 60 h; (d) 120 h;(e) 200 h

圖8 所示為拉伸試樣的斷口形貌。從圖8(a)可以看出，在沒有電流載荷作用時(shí)，焊點(diǎn)的斷裂完全是剪切斷裂。當(dāng)電流加載時(shí)間為30 h時(shí)(見圖8(b))，剪切變形區(qū)面積減小，試樣中心部位出現(xiàn)微孔斷裂區(qū)，但韌窩較大、較深。當(dāng)加載時(shí)間增加到 60 h時(shí)(見圖8(c))，剪切變形區(qū)明顯減小，微孔斷裂區(qū)明顯增加，韌窩平均深度減小。圖 8(d)中所示焊點(diǎn)在陰極 IMC/釬料交界面處斷裂，斷口局部位置有釬料存在，斷裂前的塑性變形已經(jīng)非常小，是典型的脆性斷裂模式；在圖 8(e)中則觀察不到任何斷裂韌窩。由以上分析可知，隨著加載時(shí)間的增加，斷裂模式從純剪切斷裂逐漸變?yōu)槲⒖追e聚型斷裂，最后轉(zhuǎn)化為完全的脆性斷裂，而斷裂位置也從焊點(diǎn)中心向陰極 IMC/釬料界面處轉(zhuǎn)移，這一發(fā)現(xiàn)與NAH等[14]和REN等[16]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似。

3 結(jié)論

1) 電遷移效應(yīng)導(dǎo)致 Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu釬焊接頭陽極和陰極界面IMC的生長(zhǎng)、演變產(chǎn)生明顯的極性效應(yīng)，隨電流加載時(shí)間的延長(zhǎng)，陽極界面IMC厚度不斷增加，陰極界面IMC的厚度不斷減小。

2) 陽極界面IMC的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)符合拋物線規(guī)律，而且其生長(zhǎng)速率遠(yuǎn)大于陰極界面IMC溶解的速率。

3) 在電流載荷作用下，焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度隨電流加載時(shí)間的增加不斷下降，斷裂模式由塑性斷裂逐漸向脆性斷裂轉(zhuǎn)變，斷裂位置也從焊點(diǎn)中心向陰極 IMC/釬料界面轉(zhuǎn)移。

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Polarity effect of electromigration and its influence on tensile properties of Sn-3.0Ag-0.5Cu lead-free solder joint

YAO Jian, WEI Guo-qiang, SHI Yong-hua, GU Feng
(School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640，China)

The butting solder joint of Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu was used to investigate the evolution of the intermetallic compound (IMC) at the anode and cathode interface, and the degradation of the tensile strength of solder joint with different electric current stressing times, by a scanning electron microscope equipped with energy dispersive spectrometer and micromechanical test. Meanwhile, the fracture of solder joint was also evaluated. The results show that under the condition of J=1.78×104A/cm2and T=373 K, with increasing the current stressing time, the growth of interfacial IMC presents an obviously polarity effect, the IMC thickens at the anode surface and thins at the cathode surface, and the growth of the interfacial IMC at anode follows a parabolic growth rule. The ultimate tensile strength of the solder joint declines continuously. The fracture mode gradually transforms from plastic fracture to brittle fracture, and the fracture position transfers from the middle to the cathode interface of solder joint.

intermetallic compound; electromigration; polarity effect; tensile strength; fracture

TG425.1

A

1004-0609(2011)12-3094-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U0734006)

2010-07-12；

2011-07-15

衛(wèi)國(guó)強(qiáng)，副教授；電話：020-87114484；E-mail: gqwei@scut.edu.cn

(編輯 龍懷中)