微连接课件-第4章焊点缺陷.ppt

焊接结构组组内报告 微电子封装与组装焊点的可靠性与测试材料成型与控制系 第四章 影响连接焊点可靠性的缺陷 1. 影响可靠性的二级互连焊焊点缺陷 1）墓碑现象(Tombstone)及元件歪斜 a)低熔点相的形成 b)组织薄弱区的形成 c)铋偏析的作用: 使拐角区发生凝固延迟, 偏析越严重，拐角区钎料处于低塑性的固-液态时间越长,越有利于剥离的发生。 Sn-Bi-Ag-Cu焊点剥离可能发生在结晶后期，在偏析产生的低熔点相的液相线以上温度期间。 剥离可能起源于应力应变集中的焊盘拐角环形区域，并沿焊盘/钎料界面向外缘扩展。 综上分析，区域偏析使焊盘拐角区钎料的液相线显著降低、且钎料凝固延迟，凝固过程中较长时间处于低塑性的固-液态和缩孔存在导致拐角区成为组织薄弱区，固-液态阶段该区在小的应变量时就可能发生开裂，拐角区开裂后应力并未完全释放，使焊盘外缘受力增加，当应变累积超过塑性变形能力后，开裂沿钎料/焊盘界面扩展直至完全剥离。 a) 铋含量增加剥离倾向增加。铋在钎料中是强偏析元素，非平衡结晶使实际固相线向左下方偏移，固液共存温度区间变大是较小铋含量的焊点也发生剥离的原因。 b) 铅污染使含铋钎料焊点剥离趋势进一步增加。结晶时铋和铅偏析到晶间形成低熔点相，固液共存温度区间进一步增大是剥离显著增加的原因，冷却速度对铅污染焊点剥离的抑制作用更小。 c) 抑制区域偏析使剥离倾向降低的同时，急冷也使材料变形速率迅速增大，应力应变增大，使钎焊圆角表面开裂和剥离倾向增加；急冷对缺陷的抑制起两方面互相矛盾作用。 d) 避免铅污染，降低铋含量并适当增大冷却速度是目前比较有效的措施。 2. 影响可靠性的一级互连缺陷 Sn-Bi-Ag-Cu通孔焊点剥离现象 (剥离发生在钎料与界面金属间化合物(IMC)之间) 发生机制 1) 金属学因素分析 (Sn-2.0Ag-0.5Cu-7.5Bi) 焊盘外边缘钎缝剥离断面形貌和成分 焊盘中部B区的断面形貌和成分 焊盘拐角附近C区的断面形貌和成分 拐角区大量缩孔的存在证明该区发生凝固延迟 Sn-Bi-Ag-Cu焊点 非平衡凝固 晶内偏析 区域偏析 拐角区低熔点相形成 Bi富集 缩孔 拐角区(非焊盘外缘)凝固延迟 低熔相形成 固-液态低塑性 发生机制总结 影响因素 1) 铅污染 铅污染对剥离的影响 剥离断面晶间物质成分 2) 冷却速度 冷却速度对Sn-Bi-Ag-Cu 焊点剥离的影响 水冷焊点拐角钎料界面成分 影响因素总结 10) Sn晶须 引线上SnCu涂层的Sn晶须生长的电镜照片 晶须很直，大多数锡须表面在长度方向上显示出有规 则的条纹 ，晶须的直径大约是几个微米，与Sn涂层 的晶粒尺寸相当。 不规则形状的锡晶须 增长率范围在0.03-9mm/year；直径范围在1-4μm， 大多数锡须长度为几个微米，少数可以达到10 mm。 Sn晶须足以使管脚之间形成短路，成为一个可靠性问题 发生情况： SMT中引线被涂以一层SnPb共晶以起到钝化作用和促 进在重熔过程中的钎料反应。当涂层被无铅钎料 （SnCu共晶）所取代时，涂层上发现大量的晶须。 1) 电镀时高的电流密度产生高的残余应力； 2) 基底的机械加工过程如冷却、锻造、穿孔、冲压等在 电镀之前产生很高的残余应力 ； 3) 温度循环：镀Sn层与基底材料的热膨胀系数不匹配； 基底元素如Zn或Cu可能会扩散到Sn层，扩散可能优先 沿着 Sn层的晶粒边界，从而产生压应力 ； 4) 金属间化合物的形成（如Cu6Sn5）可能改变镀Sn层的 晶格间距 ； 压应力的来源（机械、热、或化学作用） 镀Sn层的压应力驱动晶须的形核和长大; 镀层内的压应力能够沿着晶粒边界撕裂镀层外表面的氧化锡层，Sn晶须被认为是被压力从底部推出并生长，从而导致锡须形成。 晶须的生长有利于基体中的压应力的释放。 产生原因与机理 Cu-Sn扩散 CuSn IMC 室温 压应力 Sn原子的移动 晶须 压应力得到释放 1. 表面存在氧化物及其厚度不能太厚 2. 产生条件 1）镀层内部压应力； 2）为了产生局部生长，镀层表面要覆盖着氧化 物，即整个表面不能都是自由的表面； 而 且表面氧化膜保护层不能太厚，晶须能够穿 透某些局部的薄弱部位而得到长大以释放应 力 防止Sn晶须的生长，现在还没有具体明确的方法 基底材料和/或基板材料选用抗扩散性物质（如Ni