电子封装焊点中多相IMC界面特性的第一性原理研究

作     者：陈煜倩 

作者单位：重庆理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨栋华

授予年度：2023年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：第一性原理 金属间化合物 界面稳定性 差分电荷密度 焊点 

摘      要：电子终端产品的高密度集成化、微型化已成为电子封装的必然趋势,高热流密度等服役条件容易使金属间化合物（Intermetallic Compounds,IMCs）在封装微焊点界面快速及不可控生长,造成焊点过早失效等问题,同时焊料与基体之间的薄弱界面也对微焊点的性能有着直接影响。因此,电子封装微焊点的强度和可靠性很大程度上取决于焊料基体互连界面与IMC之间界面的性能。Co-P UBM（Under Bump Metallurgy）潜在的优异性能使其有望替代传统Cu UBM。其与Sn-Cu焊料反应后生成Co Sn/CuSn界面,原子互扩散后得到（Co,Cu）Sn/（Cu,Co）Sn界面。当界面反应有AgSn参与时,又会存在AgSn/CuSn和AgSn/Co Sn界面,原子互扩散后得到（Co,Cu）Sn/AgSn/（Cu,Co）Sn复杂界面。这些界面的性能对于焊点可靠性至关重要,而这些IMCs的研究大多局限于其本体结构,对于多相IMC界面以及界面特性的研究鲜有报道。因此本文采用第一性原理方法对多相IMC界面进行理论计算,探究界面间距、原子排列方式以及原子掺杂对界面稳定性和结合强度的影响。并结合试验研究,分析IMC晶粒取向对界面稳定性的影响,解释界面形貌存在差异的原因,推测提高焊点可靠性的方法。对于Co Sn/CuSn界面而言,随着界面间距的增加,界面稳定性先逐渐增强后又减弱。其中Co Sn（100）/CuSn（100）界面模型拉伸强度高于另外两种界面模型Co Sn（110）/CuSn（100）和Co Sn（010）/CuSn（100）拉伸强度的两倍。掺杂Cu原子后,（Co,Cu）Sn/CuSn界面模型的拉伸强度平均下降了12.62%。继续掺杂Co原子后,（Co,Cu）Sn/（Cu,Co）Sn界面模型的拉伸强度较未掺杂时提升了3.47%。同时试验证明Co-P UBM会使界面Co SnIMC的生长方向从[010]和[001]变为[100]晶向,表明Co-P UBM参与界面反应时的Co Sn/CuSn界面结合力更强,一定程度上可以提高焊点的可靠性。对于AgSn/CuSn界面而言,界面稳定性随间距的增加先增强后减弱。AgSn以颗粒状嵌入CuSn中紧密结合,具有一定的结合力,其中AgSn（110）/CuSn（100）界面模型的拉伸强度高于AgSn（010）/CuSn（100）和AgSn（001）/CuSn（100）界面模型的拉伸强度。掺杂一定Co原子后AgSn/（Cu,Co）Sn界面模型的拉伸强度增强了约6.97%。对于AgSn/Co Sn界面而言,界面稳定性变化规律与其他界面相同,且AgSn/Co Sn界面之间存在连续孔洞,与计算结果反映的AgSn/Co Sn界面低稳定性保持一致。AgSn（110）/Co Sn（100）和AgSn（010）/Co Sn（100）界面模型的拉伸强度都很低。掺杂Cu原子后AgSn/（Co,Cu）Sn界面模型的拉伸强度下降了约8.50%。综上所述,多相IMC界面中Cu原子的掺杂会降低界面的结合强度,而Co原子的掺杂一定程度上可以提高界面结合强度,有利于提高焊点的可靠性。