倒装芯片焊点接头加工时，首先进行UBM层的沉积，随后在UBM层上电镀形成厚的焊料凸点。随后，低温回流将两部分焊料连接在一起，形成一个复合焊料接头。在倒装芯片器件中，37Pb63Sn焊料的典型回流条件是：保持氮气气氛，峰值温度为220℃，停留时间为90 s。图4.2通过丝网印刷和结块在焊盘上制备共晶焊料的工艺步骤图4.3一对倒装芯片复合焊料接头的横截面示意......
2025-09-29
焊料接头中电、热迁移引起的相分离加速现象
【摘要】：我们称这一现象为热迁移或电迁移诱发的“相分离的共晶效应”，而关于热迁移的内容将会在本书第12章进行论述。这两种合金以图4.5中150℃等温线上的A、B两点表示。因此，若焊料中热迁移或电迁移导致了分离，仅意味着体积分数梯度的改变，而非化学势梯度的改变。因此，相比于PbIn等单相合金中，组分的改变可导致浓度梯度的改变从而产生阻碍相分离的作用力，共晶SnPb等两相混合物的相分离非常明显。
所谓Soret效应是指均质单相合金在温度梯度下变得不均匀的现象[2]。此处我们介绍一种类似但不完全相同的现象：均质的两相共晶合金在温度梯度的作用下变得不均匀，即热迁移效应。这两类效应间的不同在于：Soret效应中，非均质合金会产生一个化学势梯度来抵消Soret效应；而热迁移作用下的共晶合金中，不会生成化学势梯度来抵抗相分离或组分再分布。我们称这一现象为热迁移或电迁移诱发的“相分离的共晶效应”，而关于热迁移的内容将会在本书第12章进行论述。
从成分上来说，共晶体系的独特之处在于：低于共晶温度时，其化学势梯度与成分无关。换言之，即共晶合金中的化学势是统一的，且不依赖于组分的变化。例如，在图4.5所示的Sn-Pb二元相图中，我们来分析70Pb30Sn和30Pb70Sn扩散偶在150℃C下的退火过程。这两种合金以图4.5中150℃等温线上的A、B两点表示。在常压和150℃条件下，这是一个恒温恒压过程，因此沿该等温线的任一成分都将分解为α和β两种二次析出相（图4.5中箭头所指）。这两种二次析出相的成分由它们之间的热力学平衡决定，且可从相图中得知；两种次生相互相平衡且与次生相的含量无关。共晶温度以下，合金分离为两个具有层片状结构的初生相。这两个层状相互相平衡，不受层间距或各相体积分数影响。对于A与B构成的扩散偶，在150℃时，无论哪种组分都发生相分离，成为两个层状相。而因为它们处于平衡状态，没有化学势差驱使它们在150℃等温退火时彼此混合。下一节中，我们会看到在常压和150℃条件下退火时，扩散偶中除了少量熟化过程外，既没有发生互扩散也没有发生均质化。这是因为在150℃时，构成扩散偶的两种合金都会各自发生相分离，成为完全相同的Sn、Pb两种初生相，区别仅在于两种合金中初生相的比例不同，但依然遵循杠杆定律。它们都具有层状的微结构，但是层间距或层厚却并不固定。也就是说，在不影响平衡条件的情况下，层厚、各相的数目、成分都可以发生改变，更确切地讲，总的层间界面能也会发生改变。
由于这两个初生相始终处于相互平衡的状态，且与相的含量无关，因此在恒温老化过程中（如150℃），不存在均质化的驱动力。
图4.5 Sn-Pb二元共晶相图(https://www.chuimin.cn)
然而，如果对共晶温度下的均质两相共晶合金施加外加的驱动力（如热迁移时的温度梯度或电迁移中的电场），由于相分离不会引起化学势改变，因此并不会像Soret效应一样产生化学势梯度来平衡外加驱动力，诱发其发生显著的相分离或组分再分配。在共晶两相混合物中，成分的改变不意味着化学势的改变，仅仅代表两种相在局部的体积分数改变。因此，若焊料中热迁移或电迁移导致了分离，仅意味着体积分数梯度的改变，而非化学势梯度的改变。而体积分数梯度并非相分离的外界驱动力。因此，相比于PbIn等单相合金中，组分的改变可导致浓度梯度的改变从而产生阻碍相分离的作用力，共晶SnPb等两相混合物的相分离非常明显。理论上，经过足够长时间的热迁移或电迁移作用后，共晶焊料可发生完全的相分离，成为分离的两相，且事实上，在电迁移作用下，共晶SnPb的倒装芯片互连接头上已观察到上述现象。图4.6（a）、（b）分别为电流密度为5×103 A/cm2、温度为160℃下电迁移82 h前后的共晶SnPb互连接头的截面电镜照片，可观察到Sn已经迁移到阳极，而Pb则迁移到了阴极，与此相关的更多讨论将在第9章中进行。此处需注意到当大量的Sn受电迁移驱动而迁移至阴极或阳极后，它将与Cu反应生成大量的金属间化合物，如图4.4所示。
图4.6 共晶SnPb互连接头在电流密度为5×103 A/cm 2、温度为160℃下电迁移82 h前后的截面电镜照片（由中国台湾日月光半导体公司的Dr.Yi-Shao Lai提供）
（a）电迁移前；（b）电迁移后
若仔细观察Sn-Cu或Sn-Ni的二元相图，可以发现Sn与Cu6 Sn5、Sn与Ni3 Sn4都可以形成双相共晶组织，这意味着在对应的共晶温度以下，在Sn中会形成大量的金属间化合物，且此类金属间合物将和Sn相处于平衡状态。而这一现象也在电迁移作用后的焊料接头中得到了印证，如图1.16所示。由于Cu和Ni都可用作焊料接头的UBM层，因此在电迁移作用下，它们可以溶解进入焊料接头中，并在阳极附近形成大量的金属间化合物，特别是对于Sn基无Pb焊料而言，这一现象更为显著。
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