在高电流密度下Sn3.5Ag微铜柱焊点界面演变及失效机制的分析

Sn3.5Ag微铜柱焊点在高电流密度（3.82×10^5 A/cm2）和150℃下发生界面演变与失效，阴极Ni层快速溶解形成Cu3Sn等金属间化合物，焊点核心Ag3Sn颗粒聚集抑制IMC生长。Kirkendall空洞在Cu-Cu3Sn界面形核并发展为裂纹，ANSYS模拟显示焊柱-线路接口存在严重电流聚集。短焊柱因不均匀溶解先失效，长焊柱改善电流分布。失效模式随电流密度升高从阴极裂纹转向焊盘层状孔洞，为高密度封装可靠性优化提供依据。

　　

摘要：

目前，微电子设备面临的一个严峻挑战是封装的微型化趋势。随着微电子封装向高密度和小尺寸不断发展，微焊接接头在常规使用条件下会单独或同时承受热应力、电应力以及其他载荷，这可能导致互连结构的失效。本研究探讨了在高电流密度下Sn3.5Ag微铜柱焊接接头的界面演变和失效机制。实验表明，在3×10^4 A/cm2的电流密度和150°C的温度下，阴极侧的Ni层会迅速溶解，形成Cu3Sn和(Cu,Ni)6Sn5等金属间化合物（IMCs），而抗电迁移的Ag3Sn颗粒会在焊料核心中聚集以抑制IMCs的生长。Kirkendall空洞会在Cu–Cu3Sn界面处形成，并在长时间电流应力作用下演变为裂纹。ANSYS仿真显示，铜柱与导线接口处的电流拥挤现象非常严重，峰值密度可达3.82×10^5 A/cm2。较短的底侧铜柱由于溶解不均匀而更早失效，而较长的芯片侧铜柱则能更均匀地分布电流。在低电流密度下，失效模式主要表现为阴极侧裂纹；而在高电流密度下，则转变为煎饼状空洞的形成。这些研究结果为微电子封装的高电流可靠性优化提供了指导。

引言

随着便携式设备多功能需求的增加，微电子封装面临的主要挑战之一是焊接接头的微型化趋势，这导致整个接头的电流密度显著上升。这意味着在高电流密度下，焊接接头因电迁移而产生的热量也会大幅增加。芯片尺寸的持续减小和功能的不断增加使得需要处理更高的集成度和更复杂的封装结构，这对测试方案的设计和实现带来了巨大压力。电子元件的高集成度导致功率密度增加，进一步加剧了电迁移现象，并显著缩短了元件的使用寿命。根据现行设计标准，直径为50微米的焊接接头必须能够承受至少0.2安培的电流，从而导致接头内部的平均电流密度升高。这种高电流密度会引发电迁移，改变焊接接头的界面形态，进一步降低其可靠性和使用寿命[1]。因此，研究在不同载荷下焊接接头的微观结构演变和失效机制对于评估其机械性能和操作耐久性至关重要。