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热力电耦合作用下锡须的生长机理探究及分子动力学模拟

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热力电耦合作用下锡须的生长机理探究及分子动力学模拟

作者：熊灯杰重庆科技学院

学位级别：硕士

随着建筑工程的智能化发展,电子设备被广泛应用于智慧工地建设,其可靠性和安全性得到广泛关注。锡须是从锡层或锡合金表面自发生长的一种锡单晶,它将引发电子元器件间近距离的短路、大电流熔断、电弧放电等一系列严重威胁电子产品服役... 详细信息

随着建筑工程的智能化发展,电子设备被广泛应用于智慧工地建设,其可靠性和安全性得到广泛关注。锡须是从锡层或锡合金表面自发生长的一种锡单晶,它将引发电子元器件间近距离的短路、大电流熔断、电弧放电等一系列严重威胁电子产品服役可靠性和安全性的问题。随着可抑制锡须生长的重金属铅被禁用,锡须问题重新成为电子产品可靠性关注的热点和焦点。本文以铜锡镀层为研究对象,采用分子动力学模拟和实验相结合的方法探寻不同温度、不同应力状态和不同电场强度对镀层锡须生长的影响,提出压应力和氧化膜破裂相结合的混合生长机制,为提高无铅焊料可靠性提供研究基础。主要研究内容如下:(1)开展热电耦合作用下,铜锡镀层界面演化和锡须生长过程的分子动力学模拟。电场强度和温度的升高可以促进Cu原子向Sn原子的扩散,在镀层界面处依次形成CuSn和CuSn两种金属间化合物。在镀层中形成压缩应力,使得锡原子在锡层表面氧化膜的薄弱部位析出。电场强度或温度的增加促进了金属间化合物的形成,加速锡须的生长。(2)开展热力电耦合作用下锡须生长时镀层内部应力变化的分子动力学模拟和实验研究。在同一热电耦合作用条件下,施加外加应力会促进镀层中锡原子的析出,并使镀层内部应力增大。而锡原子析出时镀层内部会发生应力松弛,导致镀层内部应力减小。在上一次锡原子析出完成后到下一次锡原子析出开始前,镀层内部会出现应力累积,累积到一定值时,再次触发锡原子析出,因此锡须生长是一个应力累积和松弛的动态过程。对镀层施加热循环或增加热循环的次数都会促进界面原子扩散,促进锡须生长。实验结果表明,镀层表面锡须生长的区域下方的金属间化合物出现了较深的沟槽,形成压缩应力,在锡原子析出区域下方会出现明显的应力梯度,促进锡须生长,与模拟结果一致。(3)由(2)可知,锡须生长是一个应力累计和释放的过程,针对压、拉应力与锡须生长之间的的关系,开展三点弯曲情况下锡须生长的分子动力学模拟和实验研究。模拟结果表明,受压、拉应力区域的应力大小与温度没有明显关联,镀层界面扩散层平均厚度基本一致,镀层受压区域的锡须生长最快,而且,在0.5～1?/ps之间存在一个压头速度值,使受拉区域的拉应力和金属间化合物生成产生的额压应力相互抵消出现应力平衡,从而抑制锡原子析出。从实验结果也发现,镀层的高压应力区出现了大量的锡晶须,而低压应力区出现了少量的锡晶须。镀层的高、低拉应力区也因应力相互抵消均未出现锡须生长,界面金属间化合物层平均厚度基本一致,外加压应力是驱动锡须生长的主要驱动力,实验结果与模拟结果一致。

关键词：锡须界面演化多场耦合三点弯曲分子动力学

Sn-Zn-Ga-Pr钎料表面锡须的自发生长

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焊接学报 2012年第4期33卷 42-44,115页

作者：叶焕薛松柏薛鹏陈澄南京航空航天大学材料科学与技术学院南京210016 马里兰大学先进寿命周期工程研究中心美国马里兰20742

结合扫描电镜与电子能谱分析了稀土元素对无铅钎料显微组织的影响.结果表明,当无铅钎料中的稀土添加过量,会诱发锡须在无铅合金表面的自发生长.在向Sn-9Zn-0.5Ga基体合金中添加0.7%(质量分数)的稀土元素镨(Pr)后,仅需室温时效12 h,合金... 详细信息

结合扫描电镜与电子能谱分析了稀土元素对无铅钎料显微组织的影响.结果表明,当无铅钎料中的稀土添加过量,会诱发锡须在无铅合金表面的自发生长.在向Sn-9Zn-0.5Ga基体合金中添加0.7%(质量分数)的稀土元素镨(Pr)后,仅需室温时效12 h,合金组织中的稀土相表面即发生了锡须的自发生长.随着时效时间的延长,锡须会继续长大,其最终长度可达100μm.最后对过量稀土元素添加导致锡须生长的力学原因作了初步探讨,分析认为稀土相氧化所产生的微观压应力可能为锡须的生长提供了驱动力.

关键词：无铅钎料稀土元素锡须驱动力

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热处理工艺对锡须的形成与长大影响

金属热处理 2007年第11期32卷 88-90页

作者：肖代红宋旼陈康华中南大学粉末冶金国家重点实验室湖南长沙410083

用扫描电镜观察分析、研究了不同热处理工艺对共晶Sn-Cu电镀层上锡须的形成与生长影响。结果表明,高温高湿处理易促使锡须的形成与长大,经过一定的时间后,锡须生长速度减缓;循环热处理或室温处理对锡须的形成与长大影响较小;施加恒定拉... 详细信息

用扫描电镜观察分析、研究了不同热处理工艺对共晶Sn-Cu电镀层上锡须的形成与生长影响。结果表明,高温高湿处理易促使锡须的形成与长大,经过一定的时间后,锡须生长速度减缓;循环热处理或室温处理对锡须的形成与长大影响较小;施加恒定拉力后进行室温处理,锡须的形成完全受到抑制,其形成与长大是由于电镀层中存在压应力,促使镀层中的锡再结晶并长大成锡须。

关键词：电镀层锡须热处理压应力

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无铅镀层表面的锡须形貌、测量和风险评估

材料导报 2008年第12期22卷 110-112页

作者：陆裕东何小琦恩云飞王歆庄志强信息产业部电子第五研究所电子元器件可靠性物理及其应用技术国家级重点实验室广州510610 华南理工大学材料学院特种功能材料教育部重点实验室广州510640

在25℃、RH50%的常温常湿条件下,对纯Sn镀层引脚的锡须生长进行了评估。无铅化纯锡镀层表面的锡须呈现针状、圆柱状、小丘状、束状等多种不同显微形貌。外界环境与锡须的生长形貌无关,锡须生长部位特定的材料内部应力条件和晶体缺陷环... 详细信息

在25℃、RH50%的常温常湿条件下,对纯Sn镀层引脚的锡须生长进行了评估。无铅化纯锡镀层表面的锡须呈现针状、圆柱状、小丘状、束状等多种不同显微形貌。外界环境与锡须的生长形貌无关,锡须生长部位特定的材料内部应力条件和晶体缺陷环境是决定晶须形貌的主要因素。经过500 h的常态老化,镀层上短晶须占多数,只发现了极少量长度超过50μm的锡须,而正是这少量的长晶须是造成铜互连引线间锡须桥连短路的主要因素。抑制少量超长的针状晶须的生长是防止晶须生长风险的关键。

关键词：锡须镀层互连可靠性

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抑制锡须的方法

电镀与涂饰 2007年第6期26卷 30-32页

作者：王先锋贺岩峰长春工业大学化学工程学院吉林长春130012

无铅封装工艺是IC制造商为了顺应电子产品无铅化趋势而发展起来的,但存在晶须生成的潜在威胁。因此,锡须的抑制方法成为研究的关键。对电子集成电路封装行业中常见的9种抑制锡须的方法──避免局部镀纯锡,选择亚光或低应力镀锡,选择适... 详细信息

无铅封装工艺是IC制造商为了顺应电子产品无铅化趋势而发展起来的,但存在晶须生成的潜在威胁。因此,锡须的抑制方法成为研究的关键。对电子集成电路封装行业中常见的9种抑制锡须的方法──避免局部镀纯锡,选择亚光或低应力镀锡,选择适宜的镀层厚度,选择适宜的阻挡层,纯锡镀层表面回流处理,退火处理,避免在纯锡镀层表面进行压负载操作,采用有机涂层或其它金属涂层,采用适宜的电镀添加剂等进行了总结,为IC业无铅电镀提供参考依据。

关键词： IC 无铅封装锡须抑制方法

电、热、力多场作用下镀层锡须的生长行为与机理

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电、热、力多场作用下镀层锡须的生长行为与机理

作者：张中文重庆科技学院

学位级别：硕士

锡须是一种由镀锡层自发生长的长而薄的锡单晶,具有较高的载流能力,可引起电子元件短路。传统能够抑制锡须生长的Pb由于电子产品的无铅化而被禁止使用,从而导致锡须生长这一可靠性问题再次成为了学术界和工业界广泛关注的焦点。本文通... 详细信息

锡须是一种由镀锡层自发生长的长而薄的锡单晶,具有较高的载流能力,可引起电子元件短路。传统能够抑制锡须生长的Pb由于电子产品的无铅化而被禁止使用,从而导致锡须生长这一可靠性问题再次成为了学术界和工业界广泛关注的焦点。本文通过三点弯曲,微观形貌分析及电迁移等主要研究方法探究了镀锡层厚度、环境温度、外加应力以及电流密度对镀层锡须生长行为的影响,并对不同条件下锡须的生长机制进行了阐述,具体研究内容如下:(1)研究了不同厚度(1、3、9、12μm)的镀锡层在70℃的温度下热时效7天后的锡须生长行为。结果表明,镀锡层表面的锡须的生长密度随着镀层厚度的升高而降低。分析认为,锡须的生长过程是镀层内部残余应力的释放过程,当在铜基体上电镀沉积纯锡层时,镀层内部的残余内应力将随着镀层的厚度的增加而降低,同时镀层的厚度越厚,供给锡须生长的锡原子的路程也将越长,从而抑制了锡须的生长。(2)研究了镀锡层在不同温度(25℃、60℃、90℃、120℃、150℃和210℃)下热时效21天后的锡须生长行为。结果表明在25℃-90℃之间对镀锡层样品进行退火处理产生了去应力退火的效果从而降低了镀层的内应力,显著抑制锡须的生长,而当加热温度大于90℃后,温度的升高将会导致铜/锡原子扩散的加剧,促进金属间化合物CuSn的生成,进而导致内应力的增大促进锡须的生长。(3)研究了外加应力(拉应力和压应力)对镀层锡须生长行为的影响,结果表明,拉/压应力均会促进锡须的生长。同时发现由于镀层的受力不均将会导致镀层内部形成应力梯度及空位浓度梯度,从而为锡须的生长提供驱动力,并导致锡须在低应力区域呈现出平行于镀锡层表面生长,而在高应力区域垂直于镀锡层表面生长的规律。(4)研究了电流密度(1×10 A/cm、1×10A/cm、1×10A/cm)对镀层锡须生长行为的影响。结果表明,电流密度越大,对锡须的生成起的促进作用越大,并且在电迁移效应的作用下镀锡层的阳极会生成锡球,阴极会生成空穴及裂纹,但均无棒状锡须的生成。棒状锡须只有在镀层的中部区域才能生成,且呈现出平行于镀锡层表面由阳极向阴极方向生长的趋势。

关键词：镀锡层锡须三点弯曲电迁移 Cu6Sn5