我们称这一现象为热迁移或电迁移诱发的“相分离的共晶效应”，而关于热迁移的内容将会在本书第12章进行论述。这两种合金以图4.5中150℃等温线上的A、B两点表示。因此，若焊料中热迁移或电迁移导致了分离，仅意味着体积分数梯度的改变，而非化学势梯度的改变。因此，相比于PbIn等单相合金中，组分的改变可导致浓度梯度的改变从而产生阻碍相分离的作用力，共晶SnPb等两相混合物的相分离非常明显。......
2023-06-20
热迁移现象的原位观察技术
【摘要】：据观察，在150℃条件下的电迁移试验中，铅是主要的扩散元素。回流结束后，高铅焊料内会产生Cu3 Sn，但随着锡向热端扩散，Cu3 Sn转变为Cu6 Sn5。在硅侧的整个接触区域内，孔洞和Cu6 Sn5的分布是均匀的。
对于第二组试样，正如图12.3（a）所示，芯片被切割至仅留下一窄带的硅带，这个带上有一行连接在基板上的焊料凸点。这些凸点从中间被切开并抛光，以便于在电迁移试验中原位观察凸点的横截面。图12.3（a）所示为硅带和四个凸点的横截面示意。由于硅具有良好的热学性能及窄带的尺寸相对较小，当一对凸点通以直流电流或交流电流时，另一对焊料接头中会存在和通电的那对凸点几乎相同的温度梯度。这组试样可用来在电迁移试验中原位观察凸点的横截面的变化。第一组试样和第二组试样的主要区别是后者在测试时有一个自由表面。因此如果大量材料由于热迁移趋向冷端，表面就会发生膨胀，且很容易被观察到。
图12.3 热迁移的原位观察
（a）硅带和4个凸点的横截面示意；（b）第一组显示出热迁移现象的焊料接头横截面电镜照片
如图12.3（a）所示，左边的一对凸点在150℃温度、2×104 A/cm2电流密度下电迁移20 h，而右边的一对凸点则没有通电流。然而这两对凸点中都出现了组分的再分配和缺陷。右边未通电的一对凸点在顶端（即热端、硅端）界面附近呈现出均匀的孔洞分布。而在凸点中部可观察到一些相的再分配现象。锡、铅、铜元素的再分配可使用电子探针面扫描来对右边未通电的这对凸点的横截面进行测量。锡和铜会迁移到热端，而铅则会迁移到冷端。
若假设图12.3（a）右边这对凸点没有温度梯度，换句话说，这些凸点中的温度是均匀的，那么它的热力学过程会和等温退火相似，由于等温退火对相的混溶或不混溶是没有影响的，因此在这个过程中不应出现元素的偏聚或孔洞的产生，如图12.1（c）所示。然而我们需要考虑是否存在其他驱动力导致了我们所观察到的相变现象。除电和热驱动力外，还有机械力。然而如果机械力有影响，就应在等温退火时呈现出来。退火过程确实导致了芯片侧焊料和UBM层间及基板侧焊料和基板上金属层间的化学反应。由于摩尔体积变化，因此金属间化合物的生长可能会产生应力。这个效应应该发生在经过恒温150℃热处理4周的试样中，然而试验中并没有观测到明显的变化。此外凸点在150℃时已经有了一个很高的比温度，因此，内应力在这4周时间中一定会被释放掉。
因此，我们可得出结论：未通电的凸点中组分的再分配和缺陷（孔洞）的产生是由热迁移引起的。那么在热迁移过程中主要扩散元素是哪一种呢，或者说一定温度梯度下哪一种元素的扩散是最值得关注的呢？据观察，在150℃条件下的电迁移试验中，铅是主要的扩散元素。在复合焊料接头的热迁移试验中，温度梯度使铅原子从热端迁移至冷端，而锡原子从冷端迁移至热端。热端的孔洞表明铅是主要的扩散元素，且铅的扩散通量大于锡。回流结束后，高铅焊料内会产生Cu3 Sn，但随着锡向热端扩散，Cu3 Sn转变为Cu6 Sn5。在硅侧的整个接触区域内，孔洞和Cu6 Sn5的分布是均匀的。为什么锡会逆温度梯度扩散，这个问题非常有趣。为了解答这个问题，我们应当讨论在体积恒定这一限制条件下，两相显微结构中的驱动力和扩散通量变化。
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2023-06-20
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2023-06-20
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2023-06-20
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2023-06-20
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2023-06-20
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2023-06-20
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2023-06-20
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