锡膏焊点的热迁移现象-深圳福英达
锡膏焊点的热迁移现象-深圳福英达
热迁移的成因之一是由于由合金内部温度不一致所致。当在热处理一个均匀的二元合金的时候，由于合金一端和另一端会出现温差，金属原子会发生迁移，合金将变得不均匀。不仅仅热传导会造成热迁移，合金内部的原子扩散也是热迁移的成因。我们目前在一些半导体应用中仍能看到二元合金锡膏的使用，如SnAg，SnCu，SnPb锡膏等。这些无铅锡膏中的Ag，Cu等合金元素在Sn的间隙中扩散。快速的间隙扩散将增强热迁移的通量。
Cu在Sn基体中的间隙扩散非常快，尤其是受到大的热梯度驱动。图1(a)和(b)展示了在电迁移和热迁移测试之前的SnAg焊点。可以发现Cu6Sn5与Cu UBM结合较好。凸点1和4在没有施加电流情况下被加热到150℃，而另选两个参照凸点施加了0.55A电流。结果发现四个凸块经历了几乎相同的焦耳热，这是因为因为硅晶具有良好的热传导。在施加电流应力76小时后，观察到凸点中的Cu6Sn5 IMC在热迁移后迁移到基板端。图1(c)和(d)分别显示了热迁移测试后凸点1和4的微观结构变化。可以发现Si芯片上的Cu UBM几乎完全消失。
图1. Cu在Cu/SnAg/Ni焊点上的热迁移。(a)(b)未进行热迁移测试; (c)(d)热迁移测试后。
Ni在锡膏焊料中的低溶解度也减缓了Ni原子热迁移的发生。有研究者发现，在250°C下，Ni在无铅焊料中的溶解度仅为0.28wt%，其溶解度比Cu的溶解度小得多。因此在芯片上沉积Ni UBM通常可以作为减缓Cu热迁移的屏障。
通过研究共晶SnAg焊点可以发现，在施加电流前焊点内部结构均匀。随着通入交流电0.57A，焊点内部的焦耳热产生了2829℃/cm的热梯度。在施加电应力300小时后，纯Sn的小丘开始出现在上方的Si芯一侧（热端）。随着应力时间增加到550h，Si芯一侧Sn的体积开始变大。当应力时间达到800h，可以明显观察到大量的Sn。从实验中可以得知，焊料中的Sn会随着电应力的作用开始发生迁移，且Sn是从焊点迁移到Si芯一侧。
图2. 热梯度2829℃/cm的热迁移。(a)0h; (b)300h; (c)550h; (d)800h。
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Chen, C., Hsiao, H.Y., Chang, Y.W., Ouyang, F. & Tu, K.N. (2012). Thermomigration in solder joints. Materials Science and Engineering: R: Reports, vol.73.
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