《微尺度焊點在電遷移作用下變形行為的實驗研究》是依託北京航空航天大學，由蘇飛擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：微尺度焊點在電遷移作用下變形行為的實驗研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：蘇飛
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
電子封裝微焊點內部電流密度的增加引發了電遷移和力－熱－電多物理場的耦合現象, 導致了微焊點的電致斷裂等新型的失效模式。為了建立唯象的、考慮電遷移因素在內的理論模型以便對微焊點的可靠性加以評估，必須研究電遷移與巨觀力學參數之間的關係，其中電遷移驅動的質流擴散所導致的塑性變形及其影響因素的探索是一個關鍵。本項目擬針對這一問題開展系統的實驗研究，主要內容包括：試件的最佳化設計以確保實驗結果的處理；利用偏光顯微鏡等線上觀察不同實驗條件下電遷移造成的試件微結構的演化，並確定最佳測試條件；利用聚焦粒子束微加工技術在試件表面製作高密度光柵，並獲取最佳製作工藝；將掃描電鏡（SEM）或原子力顯微鏡（AFM）的高空間解析度和雲紋法相結合，測試微焊點的電致變形，研究其與溫度和電流密度之間的關係；以電致變形為判據之一，研究外應力對電遷移的影響等。上述工作對微焊點電致失效機制的探索也具有重要作用。
結題摘要
除了熱疲勞因素外，電遷移是微焊點的另一個主要失效因素。電遷移本質上同應力遷移（即金屬蠕變）一樣，是一種微觀的質量擴散運動。只有將電遷移造成的失效同熱疲勞失效一樣，採用巨觀的力學量和唯象學的方法加以表征和預測，才能對微焊點的可靠性做出全面、準確的評價。這是本項目的科學背景。 本項目的主要研究內容和成果總結如下： 1、微焊點在電遷移作用下微結構的演化 本項目對微焊點在室溫和高溫（125C）條件下電遷移過程中的微結構變化做了較系統和深入的研究。室溫下，陰極的金屬間化合物（IMC）厚度減少並且出現與焊點之間的界面裂紋，陽極出現凸丘。而高溫下陰極處的IMC消耗速度加快，界面裂紋還可能出現Cu引線和焊點材料之間，而陽極出現焊點材料的潮湧現象，將IMC覆蓋。一個最重要的發現是陰陽極處的Cu3Sn在焊點高溫電遷移過程中由最初的層狀變為顆粒狀，於此同時，毗鄰的Cu引線上也出現諸多微孔。這種現象尚未見到其它報導。 2、微焊點電致塑性變形的測試及有限元計算方法 通過上一步的研究，基本上確定電致變形的測試條件（主要是溫度和電流的選擇：既要有電遷移發生，失效時間又不能過短或過長），採用雲紋干涉法測試了微焊點在室溫和125C下的電致塑性變形場。另外，我們從描述電遷移的及其影響因素（電子風力，溫度梯度，應力梯度和空位濃度）的控制方程出發，通過有限元二次開發，建立了電致應力和塑性變形的有限元數值計算方法。將有限的電致變形測試結果用於驗證有限元算法的正確性或確定有限元算法模型中的參數後，得到了電致應力/變形的一般性算法。這個成果是尚未見到國內其他報導，超越了原計畫的研究目標。 3、研究外應力對電遷移或電致變形的影響 在本項研究中課題組首先巧妙地製作了兩組微焊點試件（每組試件32個），這兩組試件微焊點電流出入端的應力性質一樣，但分別為壓應力與拉應力，其它條件完全不變。在歷時一年多的電遷移實驗中，分別記錄了每個試件的電遷移壽命，並對每組試件的壽命進行了Weibull統計，獲得了兩組試件的平均壽命並進行了對比。結果表明：電流出入端為壓應力的那組試件的平均電遷移壽命（5013小時）長於另一組（4375小時）。同時，我們採用有限元方法，分析了電流出入端處的應力性質對其空位濃度隨時間變化的影響做了分析，不但證實了實驗結果，而且得出最佳方案是：電流從焊點的受壓端進，受拉端出。以上結果為電路的最佳化設計提供了依據。
