然而，在电迁移中应当考虑在阴极、阳极处的金属间化合物间跨越焊料接头的相互作用。为充分理解伴随有阴、阳极间金属间化合物的相互作用时电迁移对金属间化合物竞争性生长的影响，就不能忽略阴极处金属间化合物向焊料的溶解，且必须考虑阳极处金属间化合物的析出。我们有可能可利用这样的试样探究清楚电迁移对三层金属间化合物间竞争性生长的影响。......
2023-06-20
电迁移加速Cu-Sn金属间化合物溶解问题
【摘要】：电迁移会加剧倒装芯片焊料接头两侧化学反应的相互作用。在阴极侧，电迁移将溶解UBM层和Cu-Sn金属间化合物中的Cu，同时将溶解的Cu原子输送到阳极，并在阳极处形成Cu-Sn金属间化合物。图4.4所示为电迁移前的照片，从中可观察到TiW、Cu3 Sn和高Pb焊料接头的基体。在无电流加载的热老化测试时发现，Cu3 Sn可以和高Pb焊料基体稳定存在。
电迁移会加剧倒装芯片焊料接头两侧化学反应的相互作用。倒装芯片焊料接头中，电流流经芯片、其封装基板、芯片侧UBM层上的接触区、基板侧焊盘上的接触区、焊料接头区域，芯片侧UBM层上的接触区和基板侧焊盘上的接触区分别成为阴、阳两个电极。在阴极侧，电迁移将溶解UBM层和Cu-Sn金属间化合物中的Cu，同时将溶解的Cu原子输送到阳极，并在阳极处形成Cu-Sn金属间化合物。因此，焊料凸点中的电迁移将影响芯片与封装体的相互作用。
图4.4所示为电迁移前后，复合焊料接头中阴极接触区的5幅SEM照片[1]。图4.4（a）所示为电迁移前的照片，从中可观察到TiW、Cu3 Sn和高Pb焊料接头的基体。在无电流加载的热老化测试时发现，Cu3 Sn可以和高Pb焊料基体稳定存在。然而，若密度为2.25×104 A/cm2的电流从芯片的左上角进入焊料接头时，3 h后Cu3 Sn层下可形成少量的Cu6 Sn5，与此同时，Cu3 Sn上的一些Cu被消耗掉，而在焊料基体中可观察到大量的Sn从阳极侧扩散到了阴极侧，如图4.4（b）所示；而12 h后，左上角会发生更多的反应，Cu3 Sn中的Cu完全消失，而在Cu3Sn下方形成较厚的Cu6Sn5，如图4.4（c）所示，同时可发现Cu6 Sn5和Cu3 Sn界面附近形成小孔洞。而经18 h和20 h后，大孔洞形成，并一直延伸到TiW层，最终器件由于电阻大幅增加而失效，如图4.4（d）、（e）所示。显然，阴极侧的化学反应受到了电迁移的影响。值得注意的是，在图4.4（d）、（e）中的接触区右上角处，并没有发现左上角处所发现的Cu溶解和相转变的现象。
图4.4 电迁移前后复合焊料接头中的阴极接触区域的SEM照片
（a）电迁移前；（b）3 h；（c）12 h；（d）18 h；（e）20 h
上述过程中，特别值得注意的是：在电迁移作用下，稳定的层状结构变得不稳定了。在恒温退火过程中，通常扩散偶中形成的层状形貌特征是稳定的，尽管上述的层状结构在退火时可能发生增厚或减薄，但其形貌仍然保持层状特征，平面界面处的任何扰动在理论上都是不稳定的，但均可通过熟化而消除。另外，在电迁移作用时，尤其当存在电流集聚时，这种层状结构会变得很不稳定，并会导致图4.4所示的Cu UBM层的溶解，进而导致焊料接头失效。
在第8章和第9章中，我们将以电迁移为主题，讨论在倒装芯片焊料接头中电迁移的特殊行为，以及化学驱动力和电流驱动力之间的相互作用。
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2023-06-23
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2023-06-20
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2023-06-20
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