基於幾何尺寸效應的微焊點固態擴散動力學研究

《基於幾何尺寸效應的微焊點固態擴散動力學研究》是依託哈爾濱理工大學，由孫鳳蓮擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於幾何尺寸效應的微焊點固態擴散動力學研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：孫鳳蓮
• 依託單位：哈爾濱理工大學

項目摘要

隨著微電子產品向微型化、高性能方向發展，用於連線晶片與基板的微焊點尺寸也縮小到幾十微米甚至將到幾微米。在此細觀尺度範圍，焊點的力學、電學和金屬學常數均呈現明顯的尺寸效應。這必將對微焊點結構設計、可靠性分析及壽命評估產生重要影響。本項目以獲得微焊點服役過程中幾何尺寸依賴的固態擴散規律為目標，以Sn-Ag-Cu釺料與焊盤或凸點下金屬形成的微焊點為研究對象，以微焊點的特徵尺寸、時效溫度和保溫時間為變數，在實驗和數值模擬基礎上，分析在加速老化條件下與固態擴散行為有關的特徵參量的幾何尺寸效應，揭示微焊點在服役過程中尺寸依賴的固相擴散動態變化規律並進行數學表征。建立適合於微焊點的引入幾何尺寸因子的固態擴散動力學本構方程並進行實驗驗證；預測凸點下Ni阻擋層的最小極限厚度，建立與尺寸相關的凸點下金屬層消耗的數學模型。這不僅是對微連線固態擴散理論的補充，也為微焊點的結構設計和壽命評估提供一定的理論依據。

結題摘要

本項目完成了計畫書中提出的指標。發表學術論文16篇，其SCI檢索1篇，EI 檢索13篇；畢業碩士3人，在讀碩士生1人，在讀博士2人；聘請外籍專家1人在校講學1次，舉辦國際workshop一次；研究生5人次參加了國內召開的國際會議，教師2人分別參加國外召開的國際會議。創新性理論成果如下：電子封裝互聯焊點界面元素的擴散是決定焊點抗溫度時效、電遷移時效等可靠性的關鍵因素。本項目以微焊點的界面元素擴散行為與焊點的幾何尺寸的關聯性為研究目標，研究了與幾何尺寸相關的界面IMC層生長動力學行為、焊盤金屬層的消耗以及近界面區擴散元素的濃度分布。獲得了幾何尺寸效應與微焊點界面擴散的相關規律。回流焊後IMC層厚度與可擴散層厚度成反比。在Cu層/體釺料的界面處形成扇貝狀的Cu6Sn5金屬化合物，並且隨著可擴散層厚度的降低，Cu6Sn5層的厚度呈現升高的趨勢。在160℃高溫時效過程中，在Cu層/Cu6Sn5界面處生成一層Cu3Sn金屬間化合物。時效後Cu6Sn5層和Cu3Sn層的厚度比與可擴散層的厚度成反比。釺料層厚度對高溫時效過程中界面IMC層的轉變有顯著的影響，釺料層厚度越小，時效過程中界面處越有利於Cu3Sn層的生長。時效過程中焊盤Cu層的消耗與釺料層厚度呈正比。並且時效時間越長，這種釺料層厚度對Cu層消耗的影響趨勢越顯著。與熱時效相比，熱-電耦合作用下尺寸效應對擴散係數的影響更明顯，擴散係數D隨著釺料層厚度的減小顯著增大。實驗證明：擴散係數不僅由溫度和材料等因素決定，還受有限的可擴散區域尺寸的影響；界面IMC層的生長激活能Q亦與焊點界面的幾何尺寸有關。在本實驗條件下擴散係數D與釺料層厚度δ近似滿足拋物線關係D = 4.76×10-5 δ2 +1.93×10-5 δ +0.023。釺料層厚度δ為15µm，30µm，50µm時，IMC層的生長激活能Q分別為104.76KJ/mol，114.40KJ/mol，136.59KJ/mol。在細觀尺度下，擴散係數、擴散激活能與微焊點的幾何尺寸有關的結論是本研究首次提出。這不僅是對微連線擴散理論的補充，也為微焊點的結構設計和壽命評估提供一定的理論依據。