[论文解读] Diffusion-controlled growth of phases in metal-tin systems related to microelectronics packaging

Varun A. Baheti|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2018

Electronic Packaging and Soldering Technologies参考文献 53被引用 7

一句话总结

本博士论文研究了微电子封装中Cu、Ni、Au、Pd和Pt/Sn界面处的金属间化合物（IMCs）扩散控制生长及Kirkendall空洞形成机制。通过实验与建模相结合的方法，证明了IMC生长遵循由抛物线生长定律控制的扩散控制机制，其生长速率与空洞形成倾向因基底金属而异，为倒装芯片焊点的可靠性提供了关键见解。

ABSTRACT

The electro–mechanical connection between under bump metallization (UBM) and solder in flip–chip bonding is achieved by the formation of brittle intermetallic compounds (IMCs) during the soldering process. These IMCs continue to grow in the solid–state during storage at room temperature and service at an elevated temperature leading to degradation of the contacts. In this thesis, the diffusion–controlled growth mechanism of the phases and the formation of the Kirkendall voids at the interface of UBM (Cu, Ni, Au, Pd, Pt) and Sn (bulk/electroplated) are studied extensively.

研究动机与目标

• 理解凸点下金属化（UBM）与Sn界面处金属间化合物（IMCs）的扩散控制生长机制。
• 识别影响Cu、Ni、Au、Pd和Pt/Sn体系中IMC生长动力学及Kirkendall空洞形成的因素。
• 量化IMC的生长速率，并评估其在固态老化及服役过程中的焊点可靠性影响。
• 为预测电子封装中倒装芯片互连结构的长期可靠性提供机理基础。

提出的方法

• 利用横截面显微镜与电子背散射衍射（EBSD）对UBM/Sn体系（Cu、Ni、Au、Pd、Pt）中的IMC生长进行实验表征。
• 测量IMC厚度随时间与温度的变化，以确定生长动力学。
• 应用抛物线生长定律（x² = k·t）来模拟扩散控制生长，其中x为厚度，k为速率常数。
• 利用高分辨率成像分析界面处Kirkendall空洞的形成，并与扩散通量不平衡相关联。
• 采用热力学与动力学建模，解释不同UBM材料间生长行为的差异。
• 将实验结果与基于示踪扩散系数及多组分体系中互扩散的理论预测进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在UBM/Sn体系中，金属间化合物的主导生长机制是扩散控制还是反应控制？
• RQ2 在Sn基焊料接头中，不同UBM材料（Cu、Ni、Au、Pd、Pt）的IMC生长速率如何变化？
• RQ3 在固态老化过程中，Kirkendall空洞的形成程度如何？其形成与UBM材料及温度有何关系？
• RQ4 Sn与UBM元素的示踪扩散系数与观测到的IMC生长速率之间存在何种相关性？
• RQ5 在等温老化条件下，抛物线生长定律能否准确描述这些体系中IMC厚度的演化？

主要发现

• 所有UBM/Sn体系中的IMC生长均遵循扩散控制机制，厚度与时间的平方根成正比，证实了抛物线生长定律。
• IMC的生长速率常数（k）在不同UBM材料间存在显著差异，其中Cu/Sn体系的生长速率最高，其次为Ni/Sn，而Pd/Sn与Pt/Sn体系的生长速率最慢。
• Kirkendall空洞优先在扩散通量不平衡较大的界面形成，尤其在Cu/Sn与Ni/Sn体系中，其成核过程强烈依赖于温度。
• 空洞的形成与Sn与UBM金属本征扩散系数的差异密切相关，差异越大，空洞现象越显著。
• Au/Sn与Pd/Sn体系中空洞形成极少，归因于较低的互扩散通量及更稳定的界面相。
• 本研究提供了在不同温度下IMC厚度随时间演化的定量数据，为焊点可靠性的预测建模提供了支持。