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1、1. 无铅焊点的Sn晶粒的晶体结构及各向异性1.1无铅焊点的Sn晶粒的晶体结构目前，球栅阵列（Ball Grid Array,BGA）、倒扣（Flip Chip,FC）等面封装形式已成为现代微电子封装技术发展的一个重要领域。为了提高封装密度，焊点尺寸不断减小，BGA焊点的直径已经达到100m量级，而在倒扣焊中，钎料球直径可以小到40m。根据ITRS报告，到2014年，在单个IC芯片上的I/O引脚数量将达到9000个，而微互连焊点的尺寸将减小到亚微米级。这可能引发一系列可靠性问题，比如，在这样一个几十微米甚至亚微米级焊点尺寸下，微互连焊点所包含的晶粒数目是十分有限的，而且界面金属间化合物(Int
2、ermetallic Compound,IMC)的比重相对增大，这可能对焊点的机械性能产生极大影响，相应的体积效应也不容忽视。从而，微小焊点在热疲劳和机械疲劳载荷下的力学行为将与体材料的力学行为产生显著差异。因此，研究微小互连焊点的微观力学行为具有重要的现实意义。而在微小焊点中，无铅钎料大多为高Sn含量钎料，而-Sn的晶体结构为体心四方结构，具有强烈的各向异性。微系统封装不断向高密度发展，互连尺寸愈加细小，尺寸小到一定程度后，接头可能仅含有有限个晶粒，其微观力学行为与描述可能与大尺寸焊接接头存在显著差异。拉夫堡大学的J.Gong等人通过试验及模拟对微小Sn-Ag-Cu接头进行了原位剪切测试，结
3、果表明钎焊剪切过程中，接头的非弹性行为明显依赖于焊点的微观组织，具有明显的各向异性，对于每个晶粒只有一个滑移系被激活。微小接头仅含有有限个晶粒，且接头尺寸越小，它所含的晶粒的数目也就越少。在一个晶粒内部，Sn树枝晶和相邻的共晶组织具有相同晶体取向。他们模拟发现，应力状态对晶粒取向敏感，不同晶粒取向特征的接头有不同的疲劳寿命。有些研究者通过电子背散射衍射分析(EBSD)和偏光显微分析（PLM）统计了不同体积无铅钎料及焊点的晶粒数，发现其所含晶粒数目极为有限，900mSn-3.8Ag-0.7CuBGA钎料球最大截面平均含晶粒数目为5.0+2.2个，且一般的钎焊接头没有明显的择优取向经过PLM分析可
4、知。 图一 不同晶向的Sn晶粒性能不同体积SAC/Cu微焊点仅含有限晶粒。而Sn晶体具有强烈的各向异性，Sn的晶体结构及性能参数如图4-11所示。常温下Sn的晶格常数为：a=b=0.5832nm，c=0.3182nm，c/a=0.546。c轴与a(b)轴晶格常数的差异引起Sn晶体在c轴方向与a(b)轴方向上弹性性质的巨大差异（图一）,c轴方向（001）上的弹性模量是a轴方向（100）上的近三倍，热膨胀系数是a轴的近两倍。因此研究Sn基体中各晶粒的取向分布特征显得尤为重要。1.2无铅焊点的Sn的轮式双晶结构在Influence of Sn Grain Size and Orientation o
5、n the Thermomechanical Response and Reliability of Pb-free Solder Joints Thomas R. Bieler的文章中，对SAC305做了实验，文章中对倒装芯片的进行OIM观察，如图所示左边是偏光显微镜照片，右图为EBSD照片，图为极图，他们的在图中的EBSD的颜色代表了其在空间中相对与平行时的颜色。通过下面的2个极图的点的分布可以得出，其中3个晶粒分别在C轴的间隔均为60。因此通过大量的实验结果，在经过长时间的老化或慢速冷却，在统计学上得出，大部分Sn晶粒的间隔为60得出SAC钎料在再流焊中会形成轮式双晶结构，C轴的空间角度
6、为60。在有些比较特殊的情况，如中，3个晶粒形成轮式双晶结构，空间夹角为60。EBSD照片像一个沙滩球一样。1.3小结由于BGA,FC等技术的发展，焊点的密度快速增高，焊点的体积逐渐变小，在一个焊点范围内往往只包含有限个晶粒。而Sn晶粒由于其晶体结构的特性，具有明显的各向异性，在不同方向上表现出相差较大的特性。而在两个相邻的晶粒中，其C轴夹角约为60，形成轮式双晶结构。因此研究无铅焊点的晶粒数目及取向对其焊点的可靠性具有十分重要的意义。2. 在热循环作用下无铅焊点晶粒数目及取向对可靠性的影响2.1热循环作用下无铅焊点晶粒取向对可靠性的影响对SAC钎料球进行热循环处理，经过一段时间后，在某些钎料
7、球出现了微裂纹断裂。并对从焊点进行偏光显微镜分析及EBSD，从图中可以看出，发现大部分焊点均由1-3个晶粒组成，晶粒较少，其中晶粒取向分布，没有明显规律。发现在单晶组成的焊点中，如果焊点的晶体取向C轴处于平行与基板方向，那么晶粒容易发生断裂。在ESBD图中，如果取向平行基板，那么颜色为红色或橙色，如果取向垂直与基板，那么颜色为蓝色或绿色。Sn晶粒的裂纹发生发生的最主要原因是在钎料和封装元器件和基板之间的线膨胀系数失配。硅线膨胀系数只有3ppm/，有12个裂纹是分布在封装元器件上面，有4个在基板上面。而有些界面基板的膨胀系数甚至高达27ppm/。如此大的失配容易引起第二类应力，就是剪切应力，特别
8、是在焊点的转角处。在垂直于平板的方向上，也有着不同的线性膨胀系数。红橙两个颜色的晶粒在这个方向上相对于别的大多数晶粒有着较小的热膨胀系数。当他们在加热的时候，几乎没有受到应力，但是当他们冷却之后收到强烈的压缩应力。如果他们在变形中表现出塑形，那么当他们在加热的时候，他们会收到拉应力的作用。因此，裂纹产生于基板和焊点界面之间的线膨胀系数失配。虽然所有热循环晶粒都只有一个或三个主要的Sn取向，但是大部分焊点球展示去Sn在分布取向，如极图所示。11个焊点除了E,J都表现出了更大范围的取向。从极图中可以看出，中心点的方向为001晶向。因此，如果大部分晶粒的取向靠近中心点的晶向，那么容易导致线性热膨胀系
9、数失配，从而导致裂纹。ACHL4个晶粒的主要晶向都集中于中间，因此他们都在热循环中产生了裂纹。2.2无铅焊点热循环对晶粒数目的影响晶粒数目对焊点的可靠性有十分重要的影响。但是晶粒在热循环的过程中容易产生变化。有研究对热循环过程中晶粒数目的变化进行研究。它对BGA的焊点均进行偏光分析，然后对其进行热循环处理，然后再进行作图分析，对比前后晶粒数目的变化。上图为对BGA焊点中的晶粒进行分类并加以标注颜色，使其容易区分。上图中将BGA晶粒分成单晶，近单晶，双晶，近三晶，以及三晶结构。对其进行区分后进行标注在下图上，并对其进行热循环处理并进行标注。得下图所示。从图中可以看出，经历了热循环之后，无铅焊点的
10、单晶数量减少，很多单晶焊点转变为多晶。在可靠性中，晶粒的多少对可靠性有十分重要的影响。因为在接下来的研究中会发现，多晶可以明显减少初期失效，提升疲劳寿命。以及得到线性膨胀系数在不同的晶粒数目的影响。从以上的图片可以看出，在焊点的的组织中，晶粒的多少与其成型的过程有关，根据偏光显微镜的观察，老化对单晶的影响比较小，几乎可以忽略，但是热循环对单晶的作用较大。在热循环的作用下，单晶被转变为多晶，。在老化以及热循环的双重作用下更加加剧了多晶的转变。从而我们对热循环对晶粒取向的影响有了更加深入的认识。单晶焊点比例的下降可能和钎料中的第二相的聚集和粗化有关。在高温长时间时效，使结合面处的化合物层增厚，并且
11、第二相变地粗大数量也减少，而热循环使第二相更加的粗化和聚集。时效试样中的第二相粗化，使其对Sn亚晶界的钉扎作用减弱。不受钉扎的小角度晶界合并，产生相对较大的具有大的取向差的小角度晶界，最终使材料弱化。测量时效后焊点的硬度，确实比时效前下降，因此我们猜想由于第二相粗化使晶界移动增加，更多移动的晶界促进单晶结构向多晶结构的转化。使少量取向生长的一个可能的机制是（增加的）再结晶，关于再结晶的机制该实验并未做详细解释。单晶向多晶的转化只是热循环过程中显微组织演化的一部分，仍然需要进一步的研究，最终为更好的理解晶体取向对焊点可靠性的影响奠定基础。从图中可以看出，经历了热循环之后，无铅焊点的单晶数量减少，
12、很多单晶焊点转变为多晶。在可靠性中，晶粒的多少对可靠性有十分重要的影响。因为在接下来的研究中会发现，多晶可以明显减少初期失效，提升疲劳寿命。以及得到线性膨胀系数在不同的晶粒数目的影响。2.3晶粒数目对线性热膨胀系数的影响对于fig.8，展示的是对于2300个焊点的不同CTE的统计规律，在图中把晶粒分成3类，分别是单晶，双晶，三晶等，在图中可以看出在单晶中，有很多的在垂直基板中的单晶的对垂直方向的膨胀系数比较低，为15-16ppm/之间占了1/4，而大部分双晶及三晶的膨胀系数比单晶高，因此非常容易导致线性膨胀系数的失配导致裂纹的产生。先前的研究表明在在高温和低冷却速度下，容易产生比较少的晶粒，倾
13、向于产生3个互相连接的轮式双晶。而在BGA的焊点的也是符合这种情况，因此也容易产生大的晶粒。热机械疲劳会导致晶体取向的分散，就是说会引起低角度晶界的重定位。正是由于多晶和单晶焊点的不同的线性热膨胀系数，会导致在焊点在受热膨胀时，单晶在加热时由于膨胀系数不大，芯片对其产生拉应力，而在冷却时由于膨胀系数较小而受到压应力，从而导致热循环时收到较大的应力，从而导致单晶在加热时容易失效，导致可靠性降低。2.4小结这些实验对无铅焊点的3个重要方面有了更深的理解。第一，凝固的钎料和经过热机械循环的钎料的微观组织有着明显的不一样，提供了一些关于微观组织演变的证据。第二，不过Sn晶粒的晶向C轴平行于底板，很容易
14、发生断裂，第三，当产生较大线性膨胀系数的时候，在转角处容易发生再结晶现象。3. 剪切疲劳作用下无铅焊点晶粒数目及取向对可靠性的影响3.1剪切疲劳作用下晶粒数目对可靠性的影响把经过室温剪切循环失效的次数列成直方图，对单晶以及多晶的排列，他们的循环寿命从166-710次不等。直方图每隔100次循环列成一组。从图中可以看出单晶Sn与多晶Sn的循环寿命的对比有明显区别，其中最早时效的5个焊点均为单晶Sn，实际上，平均循环寿命对于单晶Sn来说为300次循环，对于多晶来说为391次循环。这在图中有更好的体现。对早期产生断裂的晶粒进行截面显微分析，发现这些焊点都是单晶Sn，而且他的C轴都是平行于封装方向。而
15、相似的单晶Sn如果它的方向是垂直于封装基板，或者相邻的多晶Sn，则不会容易产生失效。3.2剪切疲劳作用下晶粒取向对可靠性的影响Sn为体心四方结构。Duzgan et al.表示Sn晶粒系统中有23个不同的可以开动的滑移系统。已经有很多不同的作者验证过该系统。（110）111 , (110)001 , (100) 010和(100)011等滑移系统是最容易激发产生滑移的。关于对Sn晶粒取向对剪切疲劳寿命的影响或许能从反极图中更容易看出来他们之间的关系。在反极图中，数字表示其在剪切疲劳中的失效顺序。1是最晚失效，56表示最早失效。而通过在反极图中可以看出，在靠近几个角的晶向处是比较容易失效的。在图中可以看出，最晚失效的晶粒近似聚集在一个相近似的晶粒取向。而最早失效的晶粒仿佛都靠近最容易滑移的经理方向。这与典型PbSn焊点恰恰相反，它的失效更多的是与外部施加的应力，而不是晶体取向有关。我们不能通过简单地对2维和3维图进行判断而忽略对各个系统差异的考虑。3.3小结经过对不同晶粒数目及取向可靠性的研究，可以在统计上得到，当单晶时比多晶时具有更低的可靠性，晶粒各个取向有各个不同的容易开动的滑移系。当滑移系于受力方向相吻合是，容易开动滑移系产生滑移，从而导致失效。因此对于单晶，应尽量避免在其滑移方向上产生应力从而导致滑移失效。4. 电子迁移作用下晶
