不通电的复合焊点热迁移问题

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：图12.1倒装芯片焊料接头及焊料接头横截面基板上倒装芯片的示意；倒装芯片复合焊料接头的横截面；焊料接头横截面SEM照片为了利用电阻加热引起的温度梯度来研究热迁移，我们制备了两组倒装芯片试样。为了研究热迁移，我们也检测了附近没有通电的凸点。在整行没有通电的焊料接头中热迁移的影响是显而易见的，如图12.2所示，因为在这些凸点中，锡向硅侧迁移，铅向基板侧迁移。

图12.1（a）所示为基板上倒装芯片的示意，图12.1（b）所示为复合倒装芯片焊料接头的横截面，图12.1（c）所示为焊料接头的横截面SEM照片。图12.1（a）中基板上的小方形是电极。复合焊料由芯片侧的97Pb3Sn焊料和基板侧的共晶37Pb63Sn焊料组成。芯片侧接触开口区域直径为90μm，凸点高度为105μm。芯片侧三层薄膜UBM层为Al（约0.3μm）/Ni（V）（约0.3μm）/Cu（约0.7μm），基板侧焊盘的金属化层则为Ni（5μm）/Au（0.05μm）。

作为对照试验，将倒装芯片试样在150℃恒温、恒定大气压下的炉中均匀加热一个月。为进行横截面检查，依次用SiC砂纸和Al2O3粉末进行抛光处理。然后在光学显微镜和扫描电子显微镜下分别观测横截面的显微结构。运用X射线能谱分析和电子探针分析来分析化学成分。我们发现高铅焊料和共晶焊料并没有混合，图像和图12.1（c）相同。

pagenumber_ebook=246,pagenumber_book=232

图12.1　倒装芯片焊料接头及焊料接头横截面

（a）基板上倒装芯片的示意；（b）倒装芯片复合焊料接头的横截面；（c）焊料接头横截面SEM照片

为了利用电阻加热引起的温度梯度来研究热迁移，我们制备了两组倒装芯片试样。第一组样品如图12.1（a）所示，成品直接用于试验。硅芯片外围有24个凸点，图12.2（a）从右向左标记了芯片外围的全部24个焊料凸点，每一个凸点在电迁移前都与图12.1（c）所示的显微结构相同。值得再次提起的是，每个凸点底部的深色区域是共晶锡铅，顶端较亮的区域是97Pb3Sn。仅对芯片外围的4对凸点进行电迁移试验，即图12.2（b）中标注的6/7、10/11、14/15和18/19。图中的箭头标明了电子路径。电子从一个凸点底部的焊盘沿凸点上升至硅上的铝薄膜，然后到达下一个凸点的顶部，沿凸点下降，到达基板上另一个焊盘。值得注意的是，我们只对一组或几组凸点通电来进行电迁移试验。硅上的铝薄膜可以测试发热源。由于硅具有良好的热传导性能，因此附近没有通电的焊点中也会存在与通直流电流或交流电流的凸点相似的温度梯度。由于试样中会用到直流和交流电流，因此箭头指示了两个方向。(https://www.chuimin.cn)

pagenumber_ebook=246,pagenumber_book=232

图12.2　热迁移试验

（a）硅芯片外围24个凸点的示意；（b）整行未通电的焊料接头

在1.6×104 A/cm2电流密度、150℃温度下通电5 h后，凸点10和11失效，于是检测了它们的横截面显微结构。为了研究热迁移，我们也检测了附近没有通电的凸点。在整行没有通电的焊料接头中热迁移的影响是显而易见的，如图12.2（b）所示，因为在这些凸点中，锡向硅侧（也就是热端）迁移，铅向基板侧（也就是冷端）迁移。因为没有施加电流，锡和铅的重新分布是由焊料接头中的温度梯度造成的。对于通电焊点附近没通电的焊点而言，锡重新分布时向通电接头一侧倾斜，例如通电焊点10在不通电焊点9的左边，焊点9中富含锡的部分向左侧倾斜，同时也有孔洞；而通电焊点15在不通电焊点16的右边，焊点16中富含锡的部分向右倾斜。而在离通电焊点更远的焊点中，锡在硅一侧的分布比较均匀，如焊点1~焊点4、焊点21~焊点23。

在第一组试样通电的4组焊料接头中，部分基板上的电路由厚铜膜组成，通电过程中也会产生电阻热。然而，硅上的铝线是主要的热源。

不通电的复合焊点热迁移问题

相关推荐