图11.5剪切试验中倒装芯片试样的光学照片对电迁移对焊料接头剪切行为的影响进行研究，图11.5所示为倒装芯片键合到有机基板上的组件的光学照片，其中大的白色箭头为施加在芯片上推动芯片的力，并对芯片和电路板间的焊料接头产生剪切力。图11.6所示为第二组施加电迁移的试样断口俯视图的SEM照片。剪切试验中菊花链交替失效的现象表明电迁移通过阴极界面处的孔洞形成弱化了阴极界面，这与拉伸试验的结果类似。......
2023-06-20
电迁移对拉伸试验结果的影响探究
【摘要】：为了分析阴极界面弱化是否是由电迁移导致的抗拉伸强度减弱的原因，我们分析了有、无电流加载时试样在拉伸试验后的断裂照片，如图11.4所示。图11.4有、无电流加载时试样在拉伸试验后的断裂照片没有电迁移；电迁移96 h；电迁移144 h
为检验电迁移对焊料接头力学性能的影响，我们设计并制备了结构为铜线-焊球（95.5Sn3.8Ag0.7Cu）-铜线的试样进行拉伸试验，如图11.1所示。首先，在硅芯片上蚀刻宽度为300μm的V形槽，蚀刻后，不沉积如第10章中讨论的三层金属膜，而是以氧化硅在V形槽壁上形成氧化物层，因此熔融焊料不会润湿表面氧化的V形槽。随后将镀有聚合物涂层的直径为300μm的两根铜线放置在V形槽中，并将直径为300μm的两个相同焊球排列在V形槽中的铜线之间。然后将组件加热至250℃并保持几分钟，焊球熔化并通过形成界面金属间化合物与两个铜电极相连。铜线上的聚合物涂层将限制熔融焊料仅润湿铜线横截面区域。冷却后，通过超声波振动从V形槽中取出一维线材试样。图11.2（a）所示为试样的光学显微镜照片，图11.2（b）所示为抛光后的轴向横截面照片[1]。
图11.1 结构为铜线-焊球（95.5Sn3.8Ag0.7Cu）-铜线试样的制备
图11.2 一维线材试样
（a）试样的光学显微镜照片；（b）抛光后的轴向横截面照片
这种一维试样的优点是可向其施加拉伸应力来研究焊料接头的力学性能。此外，使用铜线作为电极，可依次或同时对其施加电流和拉伸应力。与骨棒状试样不同，随着金属间化合物的形成，这些试样具有两个界面，这使它们更接近器件中的真实焊料接头。
将一维铜-焊料-铜试样分成两组：第一组在不施加电流的情况下进行拉伸试验，应变速率为10-2/s；第二组在拉伸试验前进行电迁移试验，分别在1.68×103 A/cm2和5×103 A/cm2电流密度、145℃温度下电迁移24 h和48 h，随后在应变速率为10-2/s的条件下进行拉伸试验。
图11.3（a）和图11.3（b）所示为拉伸试验的应力-应变曲线。图11.3（a）所示为电迁移电流密度对抗拉强度的影响，顶部曲线来自不加电流的试样，中间曲线来自145℃温度、1.68×103 A/cm2电流密度下电迁移48 h后的试样，底部曲线来自145℃温度、5×103 A/cm2电流密度下电迁移48 h后的试样。它说明了抗拉强度随电迁移的变化。如图11.3（b）所示，顶部曲线是不加电流的试样的拉伸试验结果，中间和底部曲线来自145℃温度、5×103 A/cm2电流密度下分别通电24 h和48 h的试样。
图11.3 拉伸试验的应力-应变曲线
（a）电迁移电流密度对抗拉强度的影响；（b）通电时间对抗拉强度的影响
更长的时间或更高的电迁移电流密度会导致越来越多的空位从阳极移动到阴极，从而通过空位聚集弱化阴极处的界面机械强度。为了分析阴极界面弱化是否是由电迁移导致的抗拉伸强度减弱的原因，我们分析了有、无电流加载时试样在拉伸试验后的断裂照片，如图11.4所示。无电流加载时，因为无铅焊料比铜线柔软得多，因此试样在焊料中断裂，如图11.4（a）所示。在145℃温度，5×103 A/cm2电流密度下电迁移96 h后，即使在焊料接头中可观察到一些塑性变形，试样也仍在阴极界面附近断裂，如图11.4（b）所示。在相同电流密度的电流加载144 h后，试样在阴极界面处突然断裂，同时焊料接头主体保持原始形状，这表明发生的是脆性断裂，如图11.4（c）所示。
图11.4 有、无电流加载时试样在拉伸试验后的断裂照片
（a）没有电迁移；（b）电迁移96 h；（c）电迁移144 h
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2023-06-20
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