1、-作者xxxx-日期xxxx晶粒取向對焊接可靠性影響【精品文檔】1. 無鉛焊點的Sn晶粒的晶體結構及各向異性無鉛焊點的Sn晶粒的晶體結構目前，球柵陣列（Ball Grid Array,BGA）、倒扣（Flip Chip,FC）等面封裝形式已成為現代微電子封裝技術發展的一個重要領域。為了提高封裝密度，焊點尺寸不斷減小，BGA焊點的直徑已經達到100m量級，而在倒扣焊中，釬料球直徑可以小到40m。根據ITRS報告，到2014年，在單個IC芯片上的I/O引腳數量將達到9000個，而微互連焊點的尺寸將減小到亞微米級。這可能引發一系列可靠性問題，比如，在這樣一個幾十微米甚至亞微米級焊點尺寸下，微互連焊點

2、所包含的晶粒數目是十分有限的，而且界面金屬間化合物(Intermetallic Compound,IMC)的比重相對增大，這可能對焊點的機械性能產生極大影響，相應的體積效應也不容忽視。從而，微小焊點在熱疲勞和機械疲勞載荷下的力學行為將與體材料的力學行為產生顯著差異。因此，研究微小互連焊點的微觀力學行為具有重要的現實意義。而在微小焊點中，無鉛釬料大多為高Sn含量釬料，而-Sn的晶體結構為體心四方結構，具有強烈的各向異性。微系統封裝不斷向高密度發展，互連尺寸愈加細小，尺寸小到一定程度后，接頭可能僅含有有限個晶粒，其微觀力學行為與描述可能與大尺寸焊接接頭存在顯著差異。拉夫堡大學的等人通過試驗及模擬對

3、微小Sn-Ag-Cu接頭進行了原位剪切測試，結果表明釬焊剪切過程中，接頭的非彈性行為明顯依賴于焊點的微觀組織，具有明顯的各向異性，對于每個晶粒只有一個滑移系被激活。微小接頭僅含有有限個晶粒，且接頭尺寸越小，它所含的晶粒的數目也就越少。在一個晶粒內部，Sn樹枝晶和相鄰的共晶組織具有相同晶體取向。他們模擬發現，應力狀態對晶粒取向敏感，不同晶粒取向特征的接頭有不同的疲勞壽命。有些研究者通過電子背散射衍射分析(EBSD)和偏光顯微分析（PLM）統計了不同體積無鉛釬料及焊點的晶粒數，發現其所含晶粒數目極為有限，900釬料球最大截面平均含晶粒數目為個，且一般的釬焊接頭沒有明顯的擇優取向經過PLM分析可知。

4、 圖一 不同晶向的Sn晶粒性能不同體積SAC/Cu微焊點僅含有限晶粒。而Sn晶體具有強烈的各向異性，Sn的晶體結構及性能參數如圖4-11所示。常溫下Sn的晶格常數為：，。c軸與a(b)軸晶格常數的差異引起Sn晶體在c軸方向與a(b)軸方向上彈性性質的巨大差異（圖一）,c軸方向（001）上的彈性模量是a軸方向（100）上的近三倍，熱膨脹系數是a軸的近兩倍。因此研究Sn基體中各晶粒的取向分布特征顯得尤為重要。無鉛焊點的Sn的輪式雙晶結構在Influence of Sn Grain Size and Orientation on the Thermomechanical Response and R

5、eliability of Pb-free Solder Joints Thomas R. Bieler的文章中，對SAC305做了實驗，文章中對倒裝芯片的進行OIM觀察，如圖所示左邊是偏光顯微鏡照片，右圖為EBSD照片，圖為極圖，他們的在圖中的EBSD的顏色代表了其在空間中相對與平行時的顏色。通過下面的2個極圖的點的分布可以得出，其中3個晶粒分別在C軸的間隔均為60。因此通過大量的實驗結果，在經過長時間的老化或慢速冷卻，在統計學上得出，大部分Sn晶粒的間隔為60得出SAC釬料在再流焊中會形成輪式雙晶結構，C軸的空間角度為60。在有些比較特殊的情況，如中，3個晶粒形成輪式雙晶結構，空間夾角為6

6、0。EBSD照片像一個沙灘球一樣。小結由于BGA,FC等技術的發展，焊點的密度快速增高，焊點的體積逐漸變小，在一個焊點范圍內往往只包含有限個晶粒。而Sn晶粒由于其晶體結構的特性，具有明顯的各向異性，在不同方向上表現出相差較大的特性。而在兩個相鄰的晶粒中，其C軸夾角約為60，形成輪式雙晶結構。因此研究無鉛焊點的晶粒數目及取向對其焊點的可靠性具有十分重要的意義。2. 在熱循環作用下無鉛焊點晶粒數目及取向對可靠性的影響熱循環作用下無鉛焊點晶粒取向對可靠性的影響對SAC釬料球進行熱循環處理，經過一段時間后，在某些釬料球出現了微裂紋斷裂。并對從焊點進行偏光顯微鏡分析及EBSD，從圖中可以看出，發現大部分

7、焊點均由1-3個晶粒組成，晶粒較少，其中晶粒取向分布，沒有明顯規律。發現在單晶組成的焊點中，如果焊點的晶體取向C軸處于平行與基板方向，那么晶粒容易發生斷裂。在ESBD圖中，如果取向平行基板，那么顏色為紅色或橙色，如果取向垂直與基板，那么顏色為藍色或綠色。Sn晶粒的裂紋發生發生的最主要原因是在釬料和封裝元器件和基板之間的線膨脹系數失配。硅線膨脹系數只有3ppm/，有12個裂紋是分布在封裝元器件上面，有4個在基板上面。而有些界面基板的膨脹系數甚至高達27ppm/。如此大的失配容易引起第二類應力，就是剪切應力，特別是在焊點的轉角處。在垂直于平板的方向上，也有著不同的線性膨脹系數。紅橙兩個顏色的晶粒在

8、這個方向上相對于別的大多數晶粒有著較小的熱膨脹系數。當他們在加熱的時候，幾乎沒有受到應力，但是當他們冷卻之后收到強烈的壓縮應力。如果他們在變形中表現出塑形，那么當他們在加熱的時候，他們會收到拉應力的作用。因此，裂紋產生于基板和焊點界面之間的線膨脹系數失配。雖然所有熱循環晶粒都只有一個或三個主要的Sn取向，但是大部分焊點球展示去Sn在分布取向，如極圖所示。11個焊點除了E,J都表現出了更大范圍的取向。從極圖中可以看出，中心點的方向為001晶向。因此，如果大部分晶粒的取向靠近中心點的晶向，那么容易導致線性熱膨脹系數失配，從而導致裂紋。ACHL4個晶粒的主要晶向都集中于中間，因此他們都在熱循環中產生

9、了裂紋。無鉛焊點熱循環對晶粒數目的影響晶粒數目對焊點的可靠性有十分重要的影響。但是晶粒在熱循環的過程中容易產生變化。有研究對熱循環過程中晶粒數目的變化進行研究。它對BGA的焊點均進行偏光分析，然后對其進行熱循環處理，然后再進行作圖分析，對比前后晶粒數目的變化。上圖為對BGA焊點中的晶粒進行分類并加以標注顏色，使其容易區分。上圖中將BGA晶粒分成單晶，近單晶，雙晶，近三晶，以及三晶結構。對其進行區分后進行標注在下圖上，并對其進行熱循環處理并進行標注。得下圖所示。從圖中可以看出，經歷了熱循環之后，無鉛焊點的單晶數量減少，很多單晶焊點轉變為多晶。在可靠性中，晶粒的多少對可靠性有十分重要的影響。因為在

10、接下來的研究中會發現，多晶可以明顯減少初期失效，提升疲勞壽命。以及得到線性膨脹系數在不同的晶粒數目的影響。從以上的圖片可以看出，在焊點的的組織中，晶粒的多少與其成型的過程有關，根據偏光顯微鏡的觀察，老化對單晶的影響比較小，幾乎可以忽略，但是熱循環對單晶的作用較大。在熱循環的作用下，單晶被轉變為多晶，。在老化以及熱循環的雙重作用下更加加劇了多晶的轉變。從而我們對熱循環對晶粒取向的影響有了更加深入的認識。單晶焊點比例的下降可能和釬料中的第二相的聚集和粗化有關。在高溫長時間時效，使結合面處的化合物層增厚，并且第二相變地粗大數量也減少，而熱循環使第二相更加的粗化和聚集。時效試樣中的第二相粗化，使其對S

11、n亞晶界的釘扎作用減弱。不受釘扎的小角度晶界合并，產生相對較大的具有大的取向差的小角度晶界，最終使材料弱化。測量時效后焊點的硬度，確實比時效前下降，因此我們猜想由于第二相粗化使晶界移動增加，更多移動的晶界促進單晶結構向多晶結構的轉化。使少量取向生長的一個可能的機制是（增加的）再結晶，關于再結晶的機制該實驗并未做詳細解釋。單晶向多晶的轉化只是熱循環過程中顯微組織演化的一部分，仍然需要進一步的研究，最終為更好的理解晶體取向對焊點可靠性的影響奠定基礎。從圖中可以看出，經歷了熱循環之后，無鉛焊點的單晶數量減少，很多單晶焊點轉變為多晶。在可靠性中，晶粒的多少對可靠性有十分重要的影響。因為在接下來的研究中

12、會發現，多晶可以明顯減少初期失效，提升疲勞壽命。以及得到線性膨脹系數在不同的晶粒數目的影響。晶粒數目對線性熱膨脹系數的影響對于fig.8，展示的是對于2300個焊點的不同CTE的統計規律，在圖中把晶粒分成3類，分別是單晶，雙晶，三晶等，在圖中可以看出在單晶中，有很多的在垂直基板中的單晶的對垂直方向的膨脹系數比較低，為15-16ppm/之間占了1/4，而大部分雙晶及三晶的膨脹系數比單晶高，因此非常容易導致線性膨脹系數的失配導致裂紋的產生。先前的研究表明在在高溫和低冷卻速度下，容易產生比較少的晶粒，傾向于產生3個互相連接的輪式雙晶。而在BGA的焊點的也是符合這種情況，因此也容易產生大的晶粒。熱機械

13、疲勞會導致晶體取向的分散，就是說會引起低角度晶界的重定位。正是由于多晶和單晶焊點的不同的線性熱膨脹系數，會導致在焊點在受熱膨脹時，單晶在加熱時由于膨脹系數不大，芯片對其產生拉應力，而在冷卻時由于膨脹系數較小而受到壓應力，從而導致熱循環時收到較大的應力，從而導致單晶在加熱時容易失效，導致可靠性降低。小結這些實驗對無鉛焊點的3個重要方面有了更深的理解。第一，凝固的釬料和經過熱機械循環的釬料的微觀組織有著明顯的不一樣，提供了一些關于微觀組織演變的證據。第二，不過Sn晶粒的晶向C軸平行于底板，很容易發生斷裂，第三，當產生較大線性膨脹系數的時候，在轉角處容易發生再結晶現象。3. 剪切疲勞作用下無鉛焊點晶

14、粒數目及取向對可靠性的影響剪切疲勞作用下晶粒數目對可靠性的影響把經過室溫剪切循環失效的次數列成直方圖，對單晶以及多晶的排列，他們的循環壽命從166-710次不等。直方圖每隔100次循環列成一組。從圖中可以看出單晶Sn與多晶Sn的循環壽命的對比有明顯區別，其中最早時效的5個焊點均為單晶Sn，實際上，平均循環壽命對于單晶Sn來說為300次循環，對于多晶來說為391次循環。這在圖中有更好的體現。對早期產生斷裂的晶粒進行截面顯微分析，發現這些焊點都是單晶Sn，而且他的C軸都是平行于封裝方向。而相似的單晶Sn如果它的方向是垂直于封裝基板，或者相鄰的多晶Sn，則不會容易產生失效。剪切疲勞作用下晶粒取向對可

15、靠性的影響Sn為體心四方結構。Duzgan et al.表示Sn晶粒系統中有23個不同的可以開動的滑移系統。已經有很多不同的作者驗證過該系統。（110）111 , (110)001 , (100) 010和(100)011等滑移系統是最容易激發產生滑移的。關于對Sn晶粒取向對剪切疲勞壽命的影響或許能從反極圖中更容易看出來他們之間的關系。在反極圖中，數字表示其在剪切疲勞中的失效順序。1是最晚失效，56表示最早失效。而通過在反極圖中可以看出，在靠近幾個角的晶向處是比較容易失效的。在圖中可以看出，最晚失效的晶粒近似聚集在一個相近似的晶粒取向。而最早失效的晶粒仿佛都靠近最容易滑移的經理方向。這與典型P

16、bSn焊點恰恰相反，它的失效更多的是與外部施加的應力，而不是晶體取向有關。我們不能通過簡單地對2維和3維圖進行判斷而忽略對各個系統差異的考慮。小結經過對不同晶粒數目及取向可靠性的研究，可以在統計上得到，當單晶時比多晶時具有更低的可靠性，晶粒各個取向有各個不同的容易開動的滑移系。當滑移系于受力方向相吻合是，容易開動滑移系產生滑移，從而導致失效。因此對于單晶，應盡量避免在其滑移方向上產生應力從而導致滑移失效。4. 電子遷移作用下晶粒取向及數目對可靠性的影響錫鉛凸塊的結構是由BLM(Ball Limiting Metallurgy)及錫鉛球本身所組成的，BLM亦稱為UBM(Under Bump Me

17、tallurgy)，主要是作為鋁墊與錫鉛球之間的接口，所以必須具備應力低、黏著性佳、抗腐蝕性強及沾錫性好等特性。Cu在C軸的在25的擴散速率為210-6cm2/s，是a，b軸的500倍，而且是Sn的擴散速率的1012倍。對于Ni來說，c軸的擴散速率為其垂直方向的71014倍在120。因此，可以預測到Sn的晶粒取向對無鉛釬料的可靠性具有十分重要的影響。在無鉛焊點中有2種電子遷移失效形式，第一種失效主要是由于Sn晶粒的自我遷移。在IMC和釬料的界面上出現孔洞引起失效。第二種失效形式是在由于Cu和Ni的快速擴散引起UBM和IMC的早期失效。在圖片的右邊的晶粒取向和左邊的晶體取向有較大的區別。左邊的晶

18、粒C軸與電流方向平行，右邊的晶粒與C軸方向垂直。因此這個晶粒可以成為觀察電子遷移的良好樣本。在右邊，Ni鍍層保持14微米，孔洞主要集中在IMC和釬料的界面。這代表這典型的第一類型失效。這個孔洞的尺寸是由于樣品制備時候增大的。在左邊，可是，最初由釬料和UBM界面形成的IMC界面在重熔之后被電子遷移耗盡。Sn在Ni鍍層和Cu的深處都能發現。Cu在晶界處以金屬間化合物的形式出現。這可以被定義為第二種模式失效，它是由Ni和Cu 在C軸快速擴散失效。他們的晶體取向可以從EBSD上面看出來。左邊的晶粒C軸與電流方向平行，而右邊的晶粒的晶粒與電流方向垂直。在第一種失效模式中，Sn晶粒C軸與電流方向有較大的角度。所以Cu和Ni在Sn的擴散速度較快。失效主要是由于Sn的子擴散或晶格融化導致孔洞在IMC和釬料之間形成。在模式2的失效中，C軸幾乎和電流方向平行，在大電流的作用下，Ni和Cu會快速擴散從而使得IMC