白锡中的电迁移现象是很令人感兴趣的，因为大多数无铅焊料是锡基的。而在器件的工作温度下，电迁移主要是由晶格扩散产生的。在其各向异性电导率的影响下，它的微结构可能发生明显变化。然而，由于Ea与Ec在各向异性材料中不同，例如白锡晶粒内电场方向和电流方向之间会有一个夹角φ，如图8.14所示，这是各向异性导电材料的特有属性。......
2025-09-29
共晶锡铅倒装芯片焊点的电迁移问题
【摘要】：在20~40 h的电迁移之后，第一横截面的共晶锡铅焊料表面上，能观察到阳极的铅的聚集和阴极的孔洞的形成。图9.10所示为同时具有焊料凸点的第一横截面的第二横截面。因此，上面的Z*计算可能是不精确的，结果只是指出共晶锡铅焊点中电迁移的大致趋势。
在20~40 h的电迁移之后，第一横截面的共晶锡铅焊料表面上，能观察到阳极的铅的聚集和阴极的孔洞的形成。在焊料内的原子扩散通量，可以通过标记物的运动进行测量。图9.9（a）中，显示了标记物的位置，在SEM照片下，铅是较亮的一相。图中所示标记物是碳化硅或金刚石颗粒。图9.9（b）所示为它们的移位。除编号为1、10、11的标记物以外，其他的标记物的移动量大小在数量级上是相似的。图9.9（c）所示为除了标记为1、10、11外的标记物移动距离随时间变化的函数。在20~40 h内位移与时间呈线性关系。
图9.9 标记物位置、位移及移动距离随时间变化的函数
（a）横截面表面的标记物位置；（b）标记物位移量；（c）除编号为1、10、11外的标记物平均移动距离随时间变化的函数
在分析焊点中的原子扩散通量时，在120℃环境下，我们认为电子风力和机械力影响了铅原子的运动，
式中，Jem为原子扩散通量，单位为原子个数/（cm2·s）；c为单位体积的原子浓度；D/（kT）为原子迁移率；σ为金属中的静水应力；dσ/dx表示在电流方向上的应力梯度；Ω为原子体积；Z为电迁移的有效电荷数；e为电子电量；E为电场，E＝ρj，ρ是电阻率，j是电流密度。电迁移的原子扩散通量的值Jem，可根据标记物的运动来进行估算：
式中，VEM是焊料因电迁移而移动的体积；可由标记物位移量乘以焊料横截面积进行计算，At是标记物的位移；t为电迁移时间。(https://www.chuimin.cn)
忽略背应力，测量电迁移下的原子扩散通量Jem、扩散率和有效电荷量的乘积DZ，可由以下等式来进行计算：
由计算得到DZ值，假设忽略背应力，在已知D的情况下，我们可以估算Z的值。
为了检测估算出来的DZ值是否合理，通过利用Brandenburg与Yeh所测定的平均失效时间模式中，值为0.8 eV的激活能和值为0.1 cm2/s的指数前因子，我们尝试着把D和Z值进行分离。在120℃环境下，我们计算出了有效电荷数的值为102。考虑到焦耳热的影响，若焊料的实际温度应为140℃而不是120℃，那么有效电荷数则变为34。在第8章的内容中，锡在纯锡里的有效电荷数是17，而铅在纯铅里的有效电荷数是47，所以该值与铅的有效电荷数更为接近。
图9.10所示为同时具有焊料凸点的第一横截面的第二横截面。可以在阴极看到孔洞和锯齿状的焊料表面，在阳极看到鼓包，这表明体积变化不是持续的。更多的体积从阴极转移到了阳极。抛光表面，即自由表面使锯齿和鼓包形成，并且铅和锡同时移动到阳极。如果没有区域材料成分扫描，我们就不能清楚地认识到铅和锡在转变过程中扩散通量的相对值。由标记物的移动能得出净通量，由于铅在扩散过程中占主导地位，所以可能有一些锡反向扩散到了阴极。因此，上面的Z计算可能是不精确的，结果只是指出共晶锡铅焊点中电迁移的大致趋势。在9.7节和12.3节中，我们将对恒定体积的过程与相偏析分离所引发的问题进行探讨。
图9.10 同时具有焊料凸点的第一横截面的第二横截面
（a）平视图；（b）侧视图
补充说明，在焊料凸点的基体中能找到镍铜锡（Ni-Cu-Sn）化合物。从化学镀镍UBM层到该化合物的最远距离大约是20μm，这表明铜原子扩散这样一段距离，才能形成三元化合物。
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