解码电迁移作用下焊料互连中Cu?Sn?的形态学和晶体学动态变化

《Materials Chemistry and Physics》：Decoding the morphological and crystallographic dynamics of Cu 6Sn 5 in solder interconnects under electromigration

Cu6Sn5间质化合物在电磁迁移下的晶体取向演化规律及其对可靠性影响研究，通过实验与模拟发现电流方向和[001]Sn取向调控Cu6Sn5的非对称生长与取向关系，揭示应力集中机制与短路风险关联，建立晶体学-形貌-可靠性理论框架。

　　

C. 李 | S.K. 郭 | Z.D. 沈 | Z.X. 郭 | X.C. 陆 | Y.L. 徐 | X.W. 程 | Z.L. 马

北京工业大学材料科学与工程学院，中国北京 100081

摘要

由于电子设备的小型化，电迁移（EM）已成为焊点的主要失效模式。本研究通过结合实验表征和晶体塑性有限元模拟，研究了Cu₆Sn₅金属间化合物在电迁移作用下的微观结构演变。研究发现，界面Cu₆Sn₅的不对称生长（阳极）和溶解（阴极）、Cu₆Sn₅的定向演变以及Cu₆Sn₅块体的选择性形成，都是由Cu离子的定向流动所驱动的，这种流动受到电流方向和[001]Sn晶向的控制。Cu₆Sn₅块体在截面中表现为平坦或凸出的形态。与随机取向的凸出Cu₆Sn₅不同，平坦的Cu₆Sn₅具有明显的晶界特征，并且与βSn之间存在三种可重复的取向关系（ORs），其中两种取向关系的晶格失配较大，出现频率较低，这是本研究首次发现的现象。这些可重复的取向关系（而非[0001]Cu₆Sn₅取向）是控制平坦Cu₆Sn₅形成的主导因素。然而，当[0001]Cu₆Sn₅晶向与截面平面之间的夹角增大时，这些取向关系的影响会减弱。Cu₆Sn₅块体的生长会在相界处产生局部应力集中，这表现为几何必需位错（GND）的积累。特别是凸出的Cu₆Sn₅结构会增加短路的风险，从而阻碍电子元件的进一步小型化。本研究加深了对Cu₆Sn₅演变过程中电迁移失效机制的理解，并有助于建立基于晶体学、形态学和可靠性的分析框架，这对于设计抗电迁移的焊点在超小型化电子产品中的应用至关重要。