电场作用下Cu/Cu3Sn界面原子扩散行为的分子动力学模拟

电子产品中的钎焊点失效可能会引起整个产品报废,这种情况下电子元器件的回收利用对节约资源意义重大。实现电子元器件的连接界面分离是其有效再利用的前提。旨在为开发可行的连接界面分离技术提供理论参考,本工作运用分子动力学方法模拟研究了电场作用下电场方向和电场强度对Cu/Cu3Sn界面原子扩散行为的影响。结果表明,电场方向对界面原子的扩散行为有显著影响,相同条件下施加正向电场的模型比未加电场的模型更容易发生扩散。进一步研究了正向不同电场强度下界面原子的扩散行为,发现电场强度的增加提高了界面附近Cu3Sn侧原子的本征扩散系数,降低了Cu晶体侧原子的本征扩散系数,从而使得界面原子的扩散速率差异更加显著,产生的柯肯达尔效应更明显,有利于实现Cu/Cu3Sn界面的分离。

电迁移对全Cu3Sn焊点形貌及剪切性能的影响

在温度为120℃,电流密度分别为1×10^4、1.2×10^4、1.6×10^4 A/cm^2情况下对焊点通电,研究电迁移作用下Cu/Cu3Sn/Cu焊点微观形貌演变规律以及剪切性能的变化情况,。结果表明,在电流密度为1×10^4 A/cm^2时通电80 h,焊点中部出现蜂窝状空洞,随着通电时间增加,空洞面积不断变大,形成长条状空洞;进一步增加通电时间,在Cu3Sn层中间产生贯穿界面的裂纹状缺陷。增大电流密度,空洞等缺陷的形成时间大大缩短。利用剪切试验机测试不同电迁移实验条件下焊点的剪切强度,发现随着通电时间增加,焊点剪切强度不断下降,并且空洞面积越大,剪切强度下降幅度越大。

基于分子动力学的Cu_3Sn/Cu界面元素扩散行为数值模拟

文中采用修正的嵌入原子势函数(modified embedded atomic method,MEAM)的分子动力学模拟,研究了无铅焊点中Cu_3Sn/Cu界面元素的扩散过程,对界面元素的扩散行为进行了分析计算,获得了界面各元素的扩散激活能,根据元素扩散的经验公式得出界面过渡区的厚度表达式.结果表明,扩散过程中主要是铜晶格中Cu原子向Cu_3Sn晶格中扩散.其中,铜晶格内原子以较慢的速率扩散,但可以深入Cu_3Sn晶格内部,Cu_3Sn中原子以较快的速率扩散,但难以进入铜晶格内部.结合阿伦尼乌斯关系和爱因斯坦扩散定律,计算得到界面处铜晶格原子的扩散激活能为172.76 k J/mol,界面处Cu_3Sn晶格中Cu原子扩散激活能为52.48 k J/mol,Sn原子扩散激活能为77.86 k J/mol.

空位对Cu/Sn无铅焊点界面元素扩散的影响

界面柯肯达尔空洞形成的过程伴随着空位的形成与扩散,对空位行为的研究有利于深入理解界面扩散和空洞形成过程.运用分子动力学方法模拟Cu/Cu_3Sn界面上空位对扩散的影响,计算空位形成能、扩散势垒及空位扩散激活能.结果表明,相同条件下含空位的模型发生扩散的几率要高于不含空位的模型.另外,计算表明铜晶体的空位形成能大于Cu_3Sn晶体中铜空位的形成能;Cu_3Sn晶格中不同晶位的Cu空位(Cu1空位和Cu2空位)的形成能比较接近,但均小于锡的空位形成能.此外,对Cu/Cu_3Sn界面的空位扩散势垒及空位扩散激活能的计算结果表明,Sn原子的空位扩散激活能高于Cu原子.

电子封装中Cu/Sn/Cu焊点组织演变及温度对IMC立体形貌影响

通过电镀的方法在抛磨好的铜基体沉积4μm的锡层,并组合成一个Cu/Sn/Cu结构.分别选择240℃、1 N作为钎焊温度和钎焊压力,在不同的钎焊时间下制备焊点,分析了Cu/Sn/Cu焊点组织演变规律.分别制备了不同钎焊温度下(240,270,300℃)Cu_6Sn_5和Cu_3Sn的立体形貌,分析了温度对Cu_6Sn_5和Cu_3Sn立体形貌的影响规律.结果表明,钎焊30 min后Cu_6Sn_5为平面状,随着钎焊时间的增加逐渐转变成扇贝状.在扇贝底部的Cu_3Sn要比扇贝两侧底部的Cu_3Sn厚.增加钎焊时间锡不断被反应,上下两侧Cu_6Sn_5连成一个整体.继续增加钎焊时间Cu_6Sn_5不断转变成为Cu_3Sn.随着钎焊温度的升高Cu_6Sn_5的立体形貌逐渐由多面体状转变成匍匐状,而Cu_3Sn晶粒随着钎焊温度上升不断减小.