电、热、力多场作用下镀层锡须的生长行为与机理

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锡须是一种由镀锡层自发生长的长而薄的锡单晶,具有较高的载流能力,可引起电子元件短路。传统能够抑制锡须生长的Pb由于电子产品的无铅化而被禁止使用,从而导致锡须生长这一可靠性问题再次成为了学术界和工业界广泛关注的焦点。本文通过三点弯曲,微观形貌分析及电迁移等主要研究方法探究了镀锡层厚度、环境温度、外加应力以及电流密度对镀层锡须生长行为的影响,并对不同条件下锡须的生长机制进行了阐述,具体研究内容如下:(1)研究了不同厚度(1、3、9、12μm)的镀锡层在70℃的温度下热时效7天后的锡须生长行为。结果表明,镀锡层表面的锡须的生长密度随着镀层厚度的升高而降低。分析认为,锡须的生长过程是镀层内部残余应力的释放过程,当在铜基体上电镀沉积纯锡层时,镀层内部的残余内应力将随着镀层的厚度的增加而降低,同时镀层的厚度越厚,供给锡须生长的锡原子的路程也将越长,从而抑制了锡须的生长。(2)研究了镀锡层在不同温度(25℃、60℃、90℃、120℃、150℃和210℃)下热时效21天后的锡须生长行为。结果表明在25℃-90℃之间对镀锡层样品进行退火处理产生了去应力退火的效果从而降低了镀层的内应力,显著抑制锡须的生长,而当加热温度大于90℃后,温度的升高将会导致铜/锡原子扩散的加剧,促进金属间化合物Cu6Sn5的生成,进而导致内应力的增大促进锡须的生长。(3)研究了外加应力(拉应力和压应力)对镀层锡须生长行为的影响,结果表明,拉/压应力均会促进锡须的生长。同时发现由于镀层的受力不均将会导致镀层内部形成应力梯度及空位浓度梯度,从而为锡须的生长提供驱动力,并导致锡须在低应力区域呈现出平行于镀锡层表面生长,而在高应力区域垂直于镀锡层表面生长的规律。(4)研究了电流密度(1×10~2 A/cm~2、1×10~4A/cm~2、1×10~6A/cm~2)对镀层锡须生长行为的影响。结果表明,电流密度越大,对锡须的生成起的促进作用越大,并且在电迁移效应的作用下镀锡层的阳极会生成锡球,阴极会生成空穴及裂纹,但均无棒状锡须的生成。棒状锡须只有在镀层的中部区域才能生成,且呈现出平行于镀锡层表面由阳极向阴极方向生长的趋势。
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