纳米压痕面阵列技术解析标记物运动

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：通过使用装有Berkovich金刚石压头的仪器系统，我们可以在焊点横截面上制作一个纳米压痕标记物的面阵列。在本次研究中，所使用的纳米标记物的尺寸为5μm，标记深度为1 000 nm。图9.15所示为在电迁移试验前后，共晶锡银铜焊点横截面上所制成的纳米压痕标记物的阵列[15]。对于阳极附近标记物的反向移动，一种可能的机制是，背应力或柯肯达尔漂移引起了锡从阳极到阴极的反向流动。因此，为了分析第六行标志物的运动，我们需要一个不同的机制。

通过使用装有Berkovich金刚石压头的仪器系统，我们可以在焊点横截面上制作一个纳米压痕标记物的面阵列。图9.14所示为一组在共晶锡铅焊点横截面上制成的5μm×6μm的纳米压痕标记物阵列分别在电迁移试验前、试验24 h和48 h后的情况。其试验温度为125℃，电流大小为0.32 A，焊点的直径为100μm。在本次研究中，所使用的纳米标记物的尺寸为5μm，标记深度为1 000 nm。电子从左下角进入样品，并从右上角离开样品。如图9.14（b）、（c）所示，在右上角可以观察到小丘结构的形成。在表面处，阳极一侧可以观察到鼓包，阴极一侧可以观察到凹陷。除了靠近阳极的小部分标记物，大部分的标记物都向下移动，与原子物质流动方向相反。

图9.15所示为在电迁移试验前后，共晶锡银铜焊点横截面上所制成的纳米压痕标记物的阵列[15]。在1×104 A/cm2的平均电流密度下，电迁移测试进行15天，其试验温度为125℃。电子由顶部流向底部。焊料凸点的直径是300μm。在完成测试之后，我们用扫描电镜检测样品并进行比较。和图9.14所示的共晶锡铅焊料相比，共晶锡银铜焊料的表面形貌更加平坦。这很好地吻合了图9.10和图9.13所示结果。在电迁移驱动下，不同位置的标记物位移在扫描电镜照片中可以通过测量标记物中心到阳极界面处的参考线的距离进行测定。

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图9.14　纳米压痕标记物阵列分别在电迁移试验前、试验24 h和48 h后的情况

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图9.15　在共晶锡银铜焊点横截面上制成的一组5μm×6μm的纳米压痕标记物阵列

（a）电迁移试验前；（b）电迁移试验后

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图9.16　试验239 h后在不同行中的标志物位移量与标记物位置的关系

如图9.15中箭头所示，试验测试结果表明图中顶部的四行标志物向上移动，正如预料的一样，与由向下的电子流所驱动的原子扩散通量相反。然而，在图中从下向上数第六行的标记物却是向下移动的。特别是在第六行的一些标记物移动到了阳极，然后在扫描电镜照片中消失了。这表明在阳极附近的原子扩散通量是向上的，这与电迁移引起的原子扩散方向相反。在第五行，标记物的位移量比其他行要小得多。图9.16所示为在不同行中的标志物位移量与标志物位置的关系。似乎存在着一个“中性面”，该面没有向阳极或阴极的净扩散通量。中性面位置可由x轴和位移曲线的交点确定。如图9.16所示，从中性面到阳极界面的距离为55μm。

对于阳极附近标记物的反向移动，一种可能的机制是，背应力或柯肯达尔漂移引起了锡从阳极到阴极的反向流动。根据Blech-Herring的电迁移的背应力模型，应力梯度将产生空位浓度梯度，相应地产生反向通量，抵消电迁移导致的原子扩散通量。如果应力梯度足够大，将不会有净电迁移量，或电迁移损伤，如小丘凸起或孔洞形成。这表明中性面应在阳极界面处。在柯肯达尔漂移中，根据Darken对标记物在互扩散下运动的分析，如果晶面从阳极界面开始移动，那么所有的标记物都应该移向阴极。因此，为了分析第六行标志物的运动，我们需要一个不同的机制。该机制应该考虑，当电流在焊点底部流出焊点时所存在的电流集聚效应的影响，也要考虑标记物在样品表面的事实，此外接近阳极的丘状物在长大过程中的塑性变形也可能有影响。

纳米压痕面阵列技术解析标记物运动

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