微焊點界面柯肯達爾空洞機理研究

《微焊點界面柯肯達爾空洞機理研究》是依託上海交通大學，由余春擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：微焊點界面柯肯達爾空洞機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：余春
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

微焊點互連界面產生的高濃度柯肯達爾孔洞對封裝結構的可靠性產生了嚴重威脅。本研究採用恆溫熱老化加速試驗和第一性原理方法，揭示微焊點界面柯肯達爾孔洞的形成與演變機理，探尋抑制孔洞的方法。通過分析不同界面偶的微觀特徵，初步建立柯肯達爾孔洞與界面化合物層間的相關性描述方程。計算分析界面常見化合物的基本性質，探討摻雜對其穩定性的影響，並揭示不同摻雜對原子擴散行為的影響規律，建立原子-化合物擴散模型。基於擴散理論和守恆定律，構建柯肯達爾孔洞-化合物層的相關模型。通過該模型，從理論上探討釺料合金化控制原子界面擴散行為的方法，選擇合適的合金元素，降低Cu、Sn原子的界面互擴散差值，達到抑制孔洞的目的。本研究對於擴展柯肯達爾理論、指導設計可靠焊點均具有重要的意義。

結題摘要

微焊點廣泛套用於電子封裝中，其可靠性問題受到廣泛關注。Kirkendall空洞主要形成於Cu3Sn/Cu界面，隨著老化時間延長，其濃度逐漸增大。由於其顯著減小界面結合面積，會惡化接頭力學、電學性能，對電子產品的性能及壽命產生潛在威脅。本項目通過釺料合金成分設計、搭建加速老化試驗平台等，採用電子顯微鏡、掃描電鏡、能譜等對不同組合的反應界面演變情況進行了系統等研究。研究結果表明，Cu6Sn5和Cu3Sn是典型的界面產物。對於純Sn/高純Cu接頭，Cu3Sn的生長速度明顯快於Cu6Sn5，老化到一定階段，化合物層生長進入穩態階段，Cu3Sn化合物層的厚度與Cu6Sn5相當。Ag和Cu合金元素會減緩Cu3Sn的生長，微量的Ni、Zn、Ge甚至會完全抑制Cu3Sn。高純Cu作為焊盤時，界面不會產生Kirkendall空洞，然而採用電鍍Cu和真空濺射Cu膜，反應界面上都會出現不同程度的Kirkendall空洞現象。電鍍Cu和真空濺射Cu以柱狀晶的形式垂直於基板表面生長，晶粒直徑為數百納米至1微米。相對於高純Cu，擴散通道增加。另一方面，電鍍Cu中含有雜質，而真空濺射Cu中不含雜質。因此，基於擴散理論和界面反應動力學，原子的不平衡擴散以及鍍層表面的雜質是形成KIrkendall空洞的主要因素。鍍層柱狀晶越細小，Cu原子的遷出通量越大，越能促進Kirkendall空洞的形成。同時，鍍層雜質濃度越高，Kirkendall空洞的濃度越高，甚至會演變為微裂紋或貫穿界面的開裂。考慮到Kirkendall空洞濃度隨Cu3Sn化合物層的厚度增加而提升，提出可以通過控制Cu3Sn化合物層的生長達到抑制Kirkendall空洞的目的。採用第一性原理，構建了界面基本化合物相Cu3Sn、Cu6Sn5的晶體模型，計算表明，Cu3Sn比Cu6Sn5穩定。因此，在老化階段，Cu6Sn5會轉變為Cu3Sn。Cu6Sn5經過Co、Fe、Ni、Zn等元素的摻雜後，因為軌道雜化，鍵合加強，形成能降低，穩定性高於Cu3Sn，表明可以通過它們的微合金化，抑制Cu3Sn的生長，從而降低Kirkendall空洞的濃度，試驗也證實了這一觀點。這個結論也成為設計抑制Kirkendall 空洞的釺料成分及焊盤的理論依據。