基于几何尺寸效应的微焊点固态扩散动力学研究

随着微电子产品向微型化、高性能方向发展，用于连接芯片与基板的微焊点尺寸也缩小到几十微米甚至将到几微米。在此细观尺度范围，焊点的力学、电学和金属学常数均呈现明显的尺寸效应。这必将对微焊点结构设计、可靠性分析及寿命评估产生重要影响。本项目以获得微焊点服役过程中几何尺寸依赖的固态扩散规律为目标，以Sn-Ag-Cu钎料与焊盘或凸点下金属形成的微焊点为研究对象，以微焊点的特征尺寸、时效温度和保温时间为变量，在实验和数值模拟基础上，分析在加速老化条件下与固态扩散行为有关的特征参量的几何尺寸效应，揭示微焊点在服役过程中尺寸依赖的固相扩散动态变化规律并进行数学表征。建立适合于微焊点的引入几何尺寸因子的固态扩散动力学本构方程并进行实验验证；预测凸点下Ni阻挡层的最小极限厚度，建立与尺寸相关的凸点下金属层消耗的数学模型。这不仅是对微连接固态扩散理论的补充，也为微焊点的结构设计和寿命评估提供一定的理论依据。

本项目完成了计划书中提出的指标。发表学术论文16篇，其SCI检索1篇，EI 检索13篇；毕业硕士3人，在读硕士生1人，在读博士2人；聘请外籍专家1人在校讲学1次，举办国际workshop一次；研究生5人次参加了国内召开的国际会议，教师2人分别参加国外召开的国际会议。创新性理论成果如下：. 电子封装互联焊点界面元素的扩散是决定焊点抗温度时效、电迁移时效等可靠性的关键因素。本项目以微焊点的界面元素扩散行为与焊点的几何尺寸的关联性为研究目标，研究了与几何尺寸相关的界面IMC层生长动力学行为、焊盘金属层的消耗以及近界面区扩散元素的浓度分布。获得了几何尺寸效应与微焊点界面扩散的相关规律。. 回流焊后IMC层厚度与可扩散层厚度成反比。在Cu层/体钎料的界面处形成扇贝状的Cu6Sn5金属化合物，并且随着可扩散层厚度的降低，Cu6Sn5层的厚度呈现升高的趋势。在160℃高温时效过程中，在Cu层/Cu6Sn5界面处生成一层Cu3Sn金属间化合物。. 时效后Cu6Sn5层和Cu3Sn层的厚度比与可扩散层的厚度成反比。钎料层厚度对高温时效过程中界面IMC层的转变有显著的影响，钎料层厚度越小，时效过程中界面处越有利于Cu3Sn层的生长。. 时效过程中焊盘Cu层的消耗与钎料层厚度呈正比。并且时效时间越长，这种钎料层厚度对Cu层消耗的影响趋势越显著。与热时效相比，热-电耦合作用下尺寸效应对扩散系数的影响更明显，扩散系数D随着钎料层厚度的减小显著增大。. 实验证明：扩散系数不仅由温度和材料等因素决定，还受有限的可扩散区域尺寸的影响；界面IMC层的生长激活能Q亦与焊点界面的几何尺寸有关。在本实验条件下扩散系数D与钎料层厚度δ近似满足抛物线关系D = 4.76×10-5 δ2 +1.93×10-5 δ +0.023。钎料层厚度δ为15µm，30µm，50µm时，IMC层的生长激活能Q分别为104.76KJ/mol，114.40KJ/mol，136.59KJ/mol。. 在细观尺度下，扩散系数、扩散激活能与微焊点的几何尺寸有关的结论是本研究首次提出。这不仅是对微连接扩散理论的补充，也为微焊点的结构设计和寿命评估提供一定的理论依据。