3D封装中的小直径微凸点锡须生长现象及机理研究

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在电子封装中,随着焊料的无铅化和电子器件的微型化发展趋势,锡须的生长和其对于电子器件可靠性的威胁一直以来都是业内关注的重点。3D封装中微凸点之间的焊接互联已经成为应用的主要形式,其主要的考虑是用于实现3D封装的微凸点直径可达10μm,比球栅阵列(BGA)的直径(约100μm)小得多。然而,焊料尺寸的缩小或许会在一定程度上影响焊点的各项性能,其中一个顾虑就在于锡晶须的生长。因此迫切需要了解微米级凸点上锡晶须的生长现象,并且探索微小直径微凸点的锡须生长机理。然而迄今为止,很少有针对微凸点中锡晶须的生长现象的研究。本文研究了3种直径为5μm、7μm和10μm的微凸点在25°C、55°C、85°C和115°C下的锡须生长现象。本文采取施加持续压应力的方式模拟微凸点在实际使用过程中受到的应力作用,从而缩短了锡须生长的时间,使得系统性研究锡须生长行为成为可能。通过实验,本文发现随着温度的升高,锡须的长度有所增加,其原因可能在于高温加速了锡原子的扩散速率。同时,本文研究了直径为10μm的微凸点的锡须生长机制。在实验过程中,发现在微凸点锡焊球表面覆盖了一层厚度为几百纳米的不均匀铜氧化层,不均匀的铜氧化层上面存在着薄弱点,他们作为应力释放中心,将作为锡须生长的位置。选取特征生长出锡须的微凸点,用聚焦离子束(FIB)制备高分辨透射电镜(HRTEM)样品,观测发现锡须晶粒和相邻焊球晶粒的晶界为孪晶界,孪晶界的形成在晶界附近形成大量的位错,这些位错为锡原子的扩散提供了路径,锡原子在应力的作用下,通过这些位错扩散进入锡须晶粒,从而导致了锡须的生长。本文对于3D电子封装中小直径微凸点的研究具有重要的意义。
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