共晶锡铅与共晶锡银铜倒装芯片焊点比较

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：在9.4.1节和9.4.2节中，利用标记物的移动实验显示了电迁移在SnAg3.8 Cu0.7中比在共晶锡铅中慢得多。对于迁移率项，扩散率的差异会非常大；共晶锡铅焊料的扩散率可能会比共晶锡银铜大一个数量级。同时，较小的晶粒尺寸和锡铅焊料上形成的共晶片状界面可能导致扩散率增大。因此，在共晶锡铅焊料中的电迁移会更快。值得一提的是，锡铅倒装芯片焊点在高温下的电迁移存在一个很大的锡原子的反向扩散通量。该内容将在9.5节和9.7节进行讨论。

在9.4.1节和9.4.2节中，利用标记物的移动实验显示了电迁移在SnAg3.8 Cu0.7中比在共晶锡铅中慢得多。此外，后者的平均失效时间也比前者短很多。为什么无铅焊料的性能会更好呢？在式（9.3）中，由电迁移驱动的扩散通量的表达式的一项为驱动力项Z*eE，另一项为迁移率项D/（kT）。对于驱动力项，这两种焊料的Z*和电阻率的值是不同的，尽管其差别很小。对于迁移率项，扩散率的差异会非常大；共晶锡铅焊料的扩散率可能会比共晶锡银铜大一个数量级。这是由于SnAg3.8 Cu0.7的熔点（约220℃）比共晶锡铅的熔点（183℃）要高。因此，在同一温度下，对应的无铅焊料的同源温度（Homologous Temperature）比共晶锡铅低。同时，较小的晶粒尺寸和锡铅焊料上形成的共晶片状界面可能导致扩散率增大。因此，在共晶锡铅焊料中的电迁移会更快。

此外，在式（9.3）中，我们还要注意背应力项。在无铅焊料中背应力抵抗电迁移的效果，比在锡铅焊料中要更为显著。共晶锡铅和SnAg3.8Cu0.7在电迁移行为上的一个显著区别为，在SnAg3.8Cu0.7的阳极一侧有金属间化合物挤出（图9.11）。似乎在共晶锡铅焊料中，阳极处的压应力可以通过形成焊锡表面的凸起而释放掉，如图9.10所示，这表明由于有更多的晶界和界面边界，晶格可以很容易被建立起来。但是在SnAg3.8Cu0.7中，锡基底质地更硬且表面氧化层有保护作用，因此其横截面依然保持得很平整，如图9.13所示。更大的压应力或背应力可以通过挤出金属间化合物形成丘状物而进行释放。如果无铅焊料凸点因受到底部填充树脂的限制，其表面无法自由释放应力，那么在阳极处的压应力会积累得更高。

值得一提的是，锡铅倒装芯片焊点在高温下的电迁移存在一个很大的锡原子的反向扩散通量。该内容将在9.5节和9.7节进行讨论。如9.4.3节和9.4.4节中所讨论的，在无铅焊料中，尽管锡的浓度更高，但其反向扩散通量反而小得多，反向扩散通量对阴极触点处厚铜UBM层的稳定性有严重影响，反过来也影响了焊点的平均失效时间，该内容将在9.5节讨论。在薄膜型铜UBM层中，铜会在回流焊中被消耗，而在厚的铜UBM层中，铜也会被铜锡固态反应所消耗，锡的反向扩散通量会进一步增加铜的消耗量。平均失效时间不仅取决于电迁移的速率，也取决于铜锡反应中铜的消耗速率。

共晶锡铅与共晶锡银铜倒装芯片焊点比较

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