无铅电子封装中的电迁移

Ｗｅｌｄｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．３９　Ｎｏ．３　Ｍａｒ．２０　１　０　・专题综述・　１　

文章编号：１００２—０２５Ｘ（２０１０）０３—０００１—０５　

无铅电子封装中的电迁移　

姚健，卫国强，石永华　

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州５１０６４０）　

摘要：随着电子产品向微型化、多功能化的发展，封装焊点尺寸逐渐减小，电流密度急剧增大，由电迁移引起的焊点失效问题也日趋严　

重　电迁移使焊点的阳极产生凸起、挤出、晶须，甚至产生塑性变形，阴极产生空洞、裂纹，降低焊点的可靠性，导致电路短路或者断　

路，使元器件快速失效。本文介绍了近期国内外有关Ｓｎ－Ｃｕ，Ｓｎ－Ａｇ，Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ，Ｓｎ－Ｚｎ及Ｓｎ－Ｂｉ等无铅钎料电迁移现象的研究进展．并　分析、评述了电迁移对无铅钎料焊点可靠性的影响机制。　关键词：电子封装；无铅钎料；电迁移；可靠性　中图分类号：ＴＧ４０　文献标志码：Ａ　

０　引言　随着电子、通信、计算机等半导体产业的发展，　

电子产品的微型化、多功能化已成为必然趋势。这种　

发展趋势所带来的结果是ＩＣ芯片集成度和电路板组　

装密度不断增加．功率不断增大，由此导致焊点的电　

流密度增大．从而使电迁移失效成为元器件新的失效　问题，逐渐引起人们的关注－　］。　

有关电迁移现象的研究最早可以追溯到１８６１年，　

距今有１００多ａ的历史，近１０　ａ来国内外有大量的　

学者对电迁移现象进行了研究。从早期Ｓｎ—Ｐｂ钎料　

的研究到现在无铅钎料的研究，已经取得了一系列较　

为丰硕的成果，但是也还有许多悬而未解的问题。尤　

其是无铅钎料的电迁移现象．还存在很大的研究空　

间，本文对近期有关Ｓｎ—Ｃｕ，Ｓｎ—Ａｇ，Ｓｎ—Ａｇ—Ｃｕ，　Ｓｎ—Ｚｎ及Ｓｎ—Ｂｉ等无铅钎料电迁移现象的研究进行了　

综合分析和概括评述。　

１电迁移现象　电迁移现象的物理本质是在电流流经焊点的过　

程中，大量的自由电子与焊点中的离子或原子发生　

收稿日期：２００９—１２—２２　基金项目：国家Ａ然科学基金（ＮＳＦＣ一广东联合）重点项目　非弹性碰撞，在碰撞过程中，电子会将一部分动量　

传递给原子。在大量电子的连续作用下．焊点中的　

原子发生宏观迁移，原子迁移的方向通常与电子流　

动的方向一致。当大量原子在电子流的作用下由阴　

极涌向阳极并且在阳极积累时，会导致阳极原子产　

生晶格压应力，而随着空位浓度的不断增大．阴极　

原子产生晶格拉应力。阳极在不断增大的压应力作　

用下，会产生凸起（ｈｉｌｌｏｃｋｓ）、挤出、晶须　

（ｗｈｉｓｋｅｒｓ），甚至出现塑性变形等现象。阴极由于原　

子不断减少，原子之间的间距增大，在晶格拉应力　

的持续作用下就会诱发空洞（ｖｉｏｄｓ），形成裂纹。而　整个品格为了保持系统原有的平衡状态会随之产生　

反向背应力（ｂａｃｋ　ｓｔｒｅｓｓ），但反向背应力通常要小　

于电迁移作用力。图１即为倒装芯片焊点产生电迁　

移前后形态和结构的变化口ｊ。　

（ａ）加载前　（ｂ）加载７６　ｈ后　图１

　电迁移加载前后焊点的变化　２　・专题综述・　焊接技术　第３９卷第３期２０１０年３月　

由于发生电迁移的区域电流密度通常都比较大　

（一般＞１０　Ｍｃｍ　），单位时间内产生的热量多，若散　

热不及时就会造成温度升高。温度上升往往会带来以　

下四个方面的问题：　（一）原子的热振动加剧，平均　

能量升高，扩散系数急剧增大，加速电迁移效应；　（二）局部温度过高就会有温度梯度产生，在温度梯　

度的作用下引发热迁移效应，若二者正向叠加，会大　

大降低焊点的平均失效时问（ＭＴＦ），导致元器件使　

用寿命锐减；　（三）各种化学反应的激活能也会随着　

温度的升高而降低，由此可能会导致焊点的氧化反应　

加剧及焊点内部金属间化合物（ＩＭＣ）生长速度加　

快，迅速降低焊点的连接强度；　（四）由于空位属于　

热平衡缺陷，在一定的温度下对应一定的空位浓度。　

温度升高则会使焊点内部的空位浓度增大，大量的空　

位不仅为原子的扩散提供了快速通道，当它们在阴极　

聚集时还会加速阴极空洞的形成。　

２各种钎料电迁移现象的研究　

２．１　Ｓｎ—Ｐｂ钎料　Ｓｎ—Ｐｂ钎料的应用具有悠久的历史，虽然近年来　

迫于环保的压力，含铅钎料的使用逐渐减少．但是　

Ｓｎ—Ｐｂ钎料电迁移现象的研究仍然对无铅钎料电迁移　的研究有很重要的指导意义。　

通常认为共晶Ｓｎ—Ｐｂ钎料的电迁移是以Ｐｂ的迁　

移为主导，原子可能的扩散机制有３种：晶格扩散、　

晶界扩散、界面扩散，具体的扩散机制随着温度的变　化而变化－４］。Ｗｕ等人用共晶Ｓｎ—Ｐｂ钎料加载交流电　

与直流电进行对比，发现加载高频电流（０．０５　ｍｉｎ）。　

没有明显的电迁移现象发生。加载低频电流（８４　ｈ），　

半个周期后产生明显的电迁移现象，一个周期后表面　

变得粗糙，电迁移现象得到缓解，表面的粗糙程度随　着加载周期的增多而加大。Ｘｕ等人在搭建新的试验　

平台的基础上，研究钎焊接头钎料厚度对电迁移行为　

的影响，结果发现．不同厚度的钎料都在阳极产生竹　

节状的挤出，由电迁移引起的表面起伏随着钎料厚度　

的减小而变得越加严重，钎料厚度越小，引起的电迁　

移效应越明显。Ｘｕ认为挤出是由于大量的扩散原子　

受到Ｃｕ基板的阻挡而产生压应力导致的，自由表面　

是原子主要的扩散通道，对原子扩散起决定性作用的　是温度而不是背应力，钎料和铜电极的界面是主要的　

热源。以上研究表明：电流频率和焊接接头尺寸对电　

迁移有很大的影响，这也为无铅钎料电迁移的研究提　

供了２个重要的方向。　

２．２　Ｓｎ—Ｃｕ钎料　

Ｓｎ—Ｃｕ钎料共晶成分为Ｓｎ一０．７Ｃｕ，熔点２２７℃，　

钎焊接头外观质量好，成本较低．在波峰焊中Ｓｎ—Ｃｕ　

共晶被认为是替代Ｓｎ—ｌＰｂ的最佳钎料。　

Ｔｕ［　等人利用Ｘ射线衍射仪研究倒装芯片焊点的　

电迁移，试验过程中没有发现电阻的变化．１．２５×　

１０　Ａ／ｃｍ　加载１００　ｈ后没有发现明显的晶粒长大。几　

乎没有塑性变形的发生．试样表面依旧比较平滑。通　

过在阳极末端（晶粒Ｉ）和阴极末端（晶粒Ⅱ）选取　２个晶粒进行应力分析，发现晶粒Ｉ内部的压应力高　

达５４０　ＭＰａ。晶粒Ⅱ内部没有拉应力存在，从而再次　

论证了电迁移作用下阳极发生电流拥挤的区域是可以　产生Ｓｎ晶粒挤出的。在Ｔｕ［　的一项新的研究中，利　

用聚焦离子束对焊点进行标记．通过测量标记点的　

漂移速度．在计算机模拟的基础上定量分析电流密度　

的分布和电迁移速率的分布。发现在平均电流密度为　

１．２６ｘ１０　Ｍｃｍ　的加载条件下．发生电流拥挤区域的电　

流密度高达４．８ｘ１０　Ａ／ｃｍ　，在一些低电流密度区域　

（低于电迁移门槛值）甚至出现原子的反向流动。由　

以上研究可知：电迁移现象通常出现在电流拥挤区　

域。这是因为电流拥挤区域的原子扩散速率最高，同　

时也是空洞形成和扩展的发源地。当显微空洞形成以　后．电流流经此处时必须绕过空洞才能继续向前流　

动，由此导致原子的流动速度在平均电流区域降低，　

在电流拥挤区域增大。　

２．３　Ｓｎ—Ａｇ钎料　

Ｓｎ—Ａｇ钎料共晶成分为Ｓｎ一３．５Ａｇ，熔点２２１℃，　

导电性能良好，具有良好的抗热疲劳性能，目前在再　

流焊领域有较为广泛的应用。Ｋｕｍａｒ［，　等人用Ｃｕ／Ｎｉ／　

Ｓｎ一３．５　Ａｇ／Ｎｉ／Ｃｕ模型进行电迁移试验，并与相同温　

度下的时效试样进行对比。结果发现，在Ｎｉ／Ｓｎ一３．５　Ａｇ系统中只有Ｎｉ３Ｓｎ　ＩＭＣ的形成，１６０　ｏＣ时加载试样　

与时效试样的Ｎｉ３Ｓｎ４厚度相同，１８０℃时加载试样　

Ｎｉ　Ｓｎ　的生长在阳极和阴极都受到抑制。Ｈｅ㈣等人还　

研究了Ｃｕ／Ｓｎ３．５Ａｇ／

Ｃｕ线形结构焊点在室温下的电迁　Ｗｅｌｄｉｎｚ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏ￣ｖ　Ｖｏ１．３９　Ｎｏ．３　Ｍａｒ．２０１０　・专题综述・　３　

移行为．发现加载４７４　ｈ后阴极界面处出现显微裂纹，　

继续加载裂纹不断扩展，但是阴极和阳极界面处的　

Ｃｕ６Ｓｎ５　ＩＭＣ仍然保持原态，没有发生改变。Ｙａｎｇ　等　

人研究了前处理时效（１７０　ｃ【＝）对电迁移平均失效时　

问（ＭＴＦ）的影响，发现Ｓｎ一３．５Ａｇ焊点的ＭＴＦ随着　

时效时间的延长．在２５　ｈ时达到峰值．是不经时效　处理焊点的３．５倍。Ｃｈｅｎ】ｏ　发现使用Ｎｉ／Ｃｕ双层结　

构的ＵＢＭ层可以有效改善Ｓｎ一３．５Ａｇ倒装芯片中焊点　

的电流拥挤效应，降低扩散速率，提高电迁移ＭＴＦ。　

Ｋｕｍａｒ：…在中等电流密度（１０　Ａ／ｅｍ　）下，利用Ｎｉ／Ｓｎ一　３．５Ａ　Ｎｉ和Ｎｉ—Ｐ／Ｓｎ一３．５Ａ　Ｎｉ—Ｐ　２种结构进行对比，　

发现加载电流会使接头脆化且脆化程度随电流密度的　

增加而增加．前者ＩＭＣ的生长速度出现极性效应，　

而后者则不明显。Ｃｈｉｕ＂１２’利用Ｃｕ／Ｓｎ３．５Ａｇ／Ａｕ模型进　行电迁移试验，发现了促使Ｓｎ晶须生长的应力来源。　

电迁移加速了Ｓｎ原子在ＩＭＣ附近的聚集．使得ＩＭＣ　

晶粒发生旋转，ＩＭＣ晶粒的旋转对周围的Ｓｎ晶粒产　

生压应力．在压应力的作用下产生Ｓｎ晶须。Ｌｕ：　等　

人研究了添加ｚｎ元素对Ｓｎ—Ａｇ钎料的微观结构和电　

迁移可靠性的影响，Ｚｎ能与Ａｇ，Ｃｕ，Ｎｉ形成稳定的　化合物，减缓Ｃｕ原子的扩散，提高Ａｇ３Ｓｎ，ＣｕｏＳｎ　

的稳定性并抑制Ｃｕ　Ｓｎ的形成，从而增强界面微观结　

构的稳定性，提高电迁移寿命。Ｌｕ认为电迁移诱导　

失效可分为２种模型。模型Ｉ是Ｓｎ晶粒Ｃ轴方向与　

电流方向不重合，主要依靠Ｓｎ原子的白扩散，速度　

较慢；模型Ⅱ两者高度重合，溶质原子沿着Ｓｎ晶粒Ｃ　轴方向的品界快速扩散。以上研究表明：Ｓｎ—Ａｇ钎料　

的电迁移是以Ｓｎ原子的扩散为主导．温度对ＩＭＣ的　

生长起着十分重要的作用。适当调节ＩＭＣ层和ＵＢＭ　

层的厚度和成分可有效提高焊点的电迁移寿命，焊点　

的电迁移行为还与钎料的微观晶体结构有关。　

２．４　Ｓｎ—Ａｇ—Ｃｕ钎料　Ｓｎ—Ａｇ—Ｃｕ钎料具有优良的物理性能和力学性　

能．可靠性高、润湿性好，是全球公认的Ｓｎ—Ｐｂ钎　

料最主要的替代品。Ｋｉｎｎｅｙ：　等人研究了加载电流对　Ｓｎ一３Ａｇ一０．５Ｃｕ钎料蠕变行为的影响，发现蠕变速率　

随着电流密度的增大而增大．但远小于相同温度下等　

温时效的试样。对比铸态、加载电流（４ｘｌＯ　Ａ／　

ｅｍ　，２００　ｈ）、等温时效３种不同初始状态的试样在　加载前后的蠕变速率，发现在加载前３种试样的蠕变　

速率依次增大，在加载条件下三者的蠕变速率都明显　

增大，增大的比率都保持在７％左右。在Ｓｎ一３Ａｇ一　

０．５Ｃｕ中加入Ｗ（Ｃｅ）０．５％，　（Ｚｎ）０．２％可显著改善力　学性能并能抑制晶须的生长。但Ｌｉｎ：　的研究发现．Ｃｅ　

和Ｚｎ的加入会严重降低电迁移寿命。Ｇｕｏ　Ｅｌ６　等人研究　

了添加ｗ（Ｓｂ）１％颗粒的９５．５Ｓｎ一３．８Ａｇ一０．９Ｃｕ复合钎料　

的电迁移行为，发现加入的Ｓｂ全部形成Ｓｎ—Ｓｂ颗　

粒，加载过程中Ｓｎ—Ｓｂ颗粒与钎料基体分离且破裂。　

加载１２０　ｈ后在阳极出现凸起，阴极出现裂纹，所不　同的是复合钎料中裂纹的扩展机制与原钎料有所不　

同。通常认为在电迁移作用下会在阳极形成凸起．在　

阴极出现空洞。Ｚｈｏｕ：”　的试验却发现在阴极附近也出　

现凸起，最大的凸起不是出现在通常认为的拐角处．　而是位于中间位置。Ｚｈｏｕ认为ＩＭＣ层不仅是扩散原　

子的阻碍，其生长还会影响电流密度的分布．造成局