无铅焊点界面金属化合物生长厚度的预测方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种无铅焊点界面金属化合物生长厚度的预测方法和系统。所述方法包括：确定无铅焊点界面模型以及目标金属原子，获取所述电迁移通量、溶解通量和净热扩散通量，计算阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层的厚度变化速率，根据所述厚度变化速率和初始厚度，得到任一时刻所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层的厚度。上述方法使界面金属化合物层生长厚度预测更加精确。

Method and system for predicting growth thickness of intermetallic compound at lead-free solder joint

The invention relates to a method and a system for predicting the growth thickness of a metal compound at a lead-free solder joint interface. The method includes: determining the lead-free solder joint interface model and target metal atoms, obtaining the electric migration quantity, flux and net heat flux, the calculation of cathode interface metal compound layer and the anode of intermetallic compound layer thickness change rate, according to the thickness change rate and the initial thickness of the cathode, obtained at any time intermetallic compound layer and the anode of intermetallic compound layer thickness. The method makes the prediction of the thickness of the intermetallic compound layer more accurate.

【技术实现步骤摘要】
无铅焊点界面金属化合物生长厚度的预测方法和系统
本专利技术涉及电子封装领域，特别是涉及一种无铅焊点界面金属化合物生长厚度的预测方法。
技术介绍
未来电子产品不断朝无铅化、微型化的趋势发展，界面金属化合物(IMC，intermetalliccompound)层对焊点互连的可靠性影响因此而变得显著。在器件使用期间，焊料焊接IMC层将在温度、时间作用下缓慢生长。且随着焊点尺寸的缩小，IMC层在互连焊点中所占的体积比大幅度提高，由于IMC层属于脆性的金相组织，从而将极大地影响焊点的服役寿命。近些年，然而现阶段针对无铅焊料中IMC层生长厚度预测的方法依旧存在基础理论不完善、预测结果不精确，难以有效评估焊料结构组织的变化，试验检测的成本高的问题。
技术实现思路
基于此，提出一种无铅焊点界面金属化合物生长厚度的预测方法，解决界面金属化合物生长厚度预测结果不精确的问题。一种无铅焊点界面金属化合物生长厚度的预测方法，包括以下步骤：确定无铅焊点界面模型，所述无铅焊点界面模型包括：阴极金属焊盘通过无铅焊料与阳极金属焊盘相连；无铅焊料与阴极金属焊盘连接面形成所述阴极界面金属化合物层；无铅焊盘与阳极金属焊盘连接面形成所述阳极界面金属化合物层；根据所述无铅焊点界面模型确定一目标金属原子，所述阴极金属焊盘以及阳极金属焊盘均包含该目标金属原子，且所述目标金属原子迁移并发生金属界面反应形成所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层；获取阴极界面金属化合物层、阳极界面金属化合物层以及无铅焊料中所述目标金属原子的电迁移通量；获取阴极界面金属化合物层中目标金属原子溶解于无铅焊料的溶解通量；获取阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层中目标金属原子的净热扩散通量；根据所述电迁移通量、溶解通量和净热扩散通量，得到阴极界面金属化合物层的所述目标金属原子的净通量和阳极界面金属化合物层的目标金属原子净通量；根据所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层中目标金属原子净通量，以及所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层中目标金属原子的浓度，分别得到所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层的厚度变化速率；根据所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层的厚度变化速率，以及预先测量的所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层的初始厚度，得到任一时刻所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层的厚度。本专利技术还提供一种无铅焊点界面金属化合物生长厚度的预测系统，包括：界面模型确定模块、目标金属原子确定模块、测量模块、厚度预测模块；所述界面模型确定模块，用于确定无铅焊点界面模型；所述无铅焊点界面模型包括：阴极金属焊盘通过无铅焊料与阳极金属焊盘相连；无铅焊料与阴极金属焊盘连接面形成所述阴极界面金属化合物层；无铅焊盘与阳极金属焊盘连接面形成所述阳极界面金属化合物层；所述目标金属原子确定模块，用于根据所述无铅焊点界面模型确定一目标金属原子，所述阴极金属焊盘以及阳极金属焊盘均包含该目标金属原子；且所述目标金属原子迁移并发生金属界面反应形成所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层；所述测量模块，用于获取阴极界面金属化合物层、阳极界面金属化合物层以及无铅焊料中目标金属原子的电迁移通量；获取阴极界面金属化合物层中目标金属原子溶解于无铅焊料的溶解通量；获取阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层中目标金属原子的净热扩散通量；所述厚度预测模块，用于根据所述电迁移通量、所述的溶解通量和所述的净热扩散通量，得到阴极界面金属化合物层的目标金属原子净通量和阳极界面金属化合物层的目标金属原子净通量；根据所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层中目标金属原子净通量，以及所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层中目标金属原子的浓度，分别得到所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层的厚度变化速率；根据所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层的厚度变化速率，以及预先测量的所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层的初始厚度，得到任一时刻所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层的厚度。上述技术方案，通过测量目标金属原子的电迁移通量、目标金属原子溶解于无铅焊料的溶解通量和目标金属原子的净热扩散通量，并通过无铅焊点界面模型，得到任一时刻所述阴极界面金属化合物层的厚度和阳极界面金属化合物层的厚度，使界面金属化合物层生长厚度预测更加精确。附图说明图1为一实施例中无铅焊点界面金属化合物生长厚度的预测方法的示意性流程图；图2为一实施例中无铅焊点界面模型示意性结构图；图3为一实施例中IMC层随时间变化曲线图；图4为一实施例中IMC1层随时间变化曲线图；图5为一实施例中IMC2层随时间变化曲线图；图6为一实施例中无铅焊点界面金属化合物生长厚度的预测系统示意性结构图。具体实施方式为更进一步阐述本专利技术所采取的技术手段及取得的效果，下面结合附图及较佳实施例，对本专利技术实施例的技术方案，进行清楚和完整的描述。图1为无铅焊点界面金属化合物生长厚度的预测方法示意性流程图，如图1所示，本实施例中无铅焊点界面金属化合物生长厚度的预测方法包括以下步骤：S11，确定无铅焊点界面模型，所述无铅焊点界面模型包括：阴极金属焊盘通过无铅焊料与阳极金属焊盘相连；无铅焊料与阴极金属焊盘连接面形成所述阴极界面金属化合物层；无铅焊盘与阳极金属焊盘连接面形成所述阳极界面金属化合物层；在电子产品中，无铅焊点界面模型一般为金属焊盘-无铅焊料-金属焊盘结构，在该模型中，金属焊盘与无铅焊料之间，在高温焊接阶段会形成一层界面金属化合物层，所述界面金属化合物层会影响焊接的牢固性，因此，所述界面金属化合物层厚度的预测尤为重要。S12，根据所述无铅焊点界面模型确定目标金属原子，所述阴极金属焊盘以及阳极金属焊盘均包含该目标金属原子，且所述目标金属原子迁移并发生金属界面反应形成所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层；目标金属原子在所述无铅焊点界面模型的界面金属反应中占主导地位，因此，所述金属化合物层厚度变化的主要原因是由于目标金属原子的迁移。可选的，金属焊盘选择铜焊盘、银焊盘、镍焊盘等。S13，获取阴极界面金属化合物层、阳极界面金属化合物层以及无铅焊料中所述目标金属原子的电迁移通量；获取阴极界面金属化合物层中目标金属原子溶解于无铅焊料的溶解通量；获取阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层中目标金属原子的净热扩散通量；结合所述无铅焊点界面模型以及环境条件，定量分析模型中每一层中目标金属原子的迁移，在本实施例中的所述无铅焊点界面模型，目标金属原子的迁移包括：电迁移、溶解迁移以及扩散迁移。S14，根据所述电迁移通量、溶解通量和净热扩散通量，得到阴极界面金属化合物层的所述目标金属原子的净通量和阳极界面金属化合物层的目标金属原子净通量；界面金属化合物层厚度的生长速度，是由于所述界面金属化合物层所述目标原子净通量决定的，所述界面金属化合物层中所述目标原子净通量越大，则所述界面金属化合物厚度生长速度越快。S15，根据所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层中目标金属原子净通量，以及所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层中目标金属原子的浓度，分别得到所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无铅焊点界面金属化合物生长厚度的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：确定无铅焊点界面模型，所述无铅焊点界面模型包括：阴极金属焊盘通过无铅焊料与阳极金属焊盘相连；无铅焊料与阴极金属焊盘连接面形成有阴极界面金属化合物层；无铅焊盘与阳极金属焊盘连接面形成有阳极界面金属化合物层；根据所述无铅焊点界面模型确定一目标金属原子，所述阴极金属焊盘以及阳极金属焊盘均包含该目标金属原子，且所述目标金属原子迁移并发生金属界面反应形成所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层；获取阴极界面金属化合物层、阳极界面金属化合物层以及无铅焊料中所述目标金属原子的电迁移通量；获取阴极界面金属化合物层中目标金属原子溶解于无铅焊料的溶解通量；获取阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层中目标金属原子的净热扩散通量；根据所述电迁移通量、溶解通量和净热扩散通量，得到阴极界面金属化合物层的所述目标金属原子的净通量和阳极界面金属化合物层的目标金属原子净通量；根据所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层中目标金属原子净通量，以及所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层中目标金属原子的浓度，分别得到所述阴极界面金属化合物层的厚度变化速率和阳极界面金属化合物层的厚度变化速率；根据所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层的厚度变化速率，以及预先测量的所述阴极界面金属化合物层的初始厚度和阳极界面金属化合物层的初始厚度，得到任一时刻所述阴极界面金属化合物层的厚度和阳极界面金属化合物层的厚度。...

【技术特征摘要】
1.一种无铅焊点界面金属化合物生长厚度的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：确定无铅焊点界面模型，所述无铅焊点界面模型包括：阴极金属焊盘通过无铅焊料与阳极金属焊盘相连；无铅焊料与阴极金属焊盘连接面形成有阴极界面金属化合物层；无铅焊盘与阳极金属焊盘连接面形成有阳极界面金属化合物层；根据所述无铅焊点界面模型确定一目标金属原子，所述阴极金属焊盘以及阳极金属焊盘均包含该目标金属原子，且所述目标金属原子迁移并发生金属界面反应形成所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层；获取阴极界面金属化合物层、阳极界面金属化合物层以及无铅焊料中所述目标金属原子的电迁移通量；获取阴极界面金属化合物层中目标金属原子溶解于无铅焊料的溶解通量；获取阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层中目标金属原子的净热扩散通量；根据所述电迁移通量、溶解通量和净热扩散通量，得到阴极界面金属化合物层的所述目标金属原子的净通量和阳极界面金属化合物层的目标金属原子净通量；根据所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层中目标金属原子净通量，以及所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层中目标金属原子的浓度，分别得到所述阴极界面金属化合物层的厚度变化速率和阳极界面金属化合物层的厚度变化速率；根据所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层的厚度变化速率，以及预先测量的所述阴极界面金属化合物层的初始厚度和阳极界面金属化合物层的初始厚度，得到任一时刻所述阴极界面金属化合物层的厚度和阳极界面金属化合物层的厚度。2.根据权利要求1所述的无铅焊点界面金属化合物生长厚度的预测方法，其特征在于，所述获取阴极界面金属化合物层、阳极界面金属化合物层以及无铅焊料中目标金属原子的电迁移通量的步骤包括：获取所述目标金属原子在所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层中的浓度和有效电荷数，并根据所述目标金属原子在所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层中的扩散系数以及阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层的电阻率，分别得到目标金属原子在所述阴极界面金属化合物层的电迁移通量和阳极界面金属化合物层中的电迁移通量；获取目标金属原子在无铅焊料中的浓度和有效电荷数，并根据目标金属原子在无铅焊料中的扩散系数以及无铅焊料的电阻率，得到目标金属原子在无铅焊料中的电迁移通量。3.根据权利要求1所述的无铅焊点界面金属化合物生长厚度的预测方法，其特征在于，获取阴极界面金属化合物层中目标金属原子溶解于无铅焊料的溶解通量的步骤包括：获取实验温度下阴极界面金属化合物层中目标金属原子在无铅焊料中的溶解度；根据所述溶解度以及预设的溶解率常数，得到阴极界面金属化合物层中目标金属原子溶解于无铅焊料中的溶解通量。4.根据权利要求1所述的无铅焊点界面金属化合物生长厚度的预测方法，其特征在于，所述获取阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层中目标金属原子的净热扩散通量的步骤包括：获取所述阴极金属焊盘、所述无铅焊料以及所述阳极金属焊盘中目标金属原子的浓度；根据阴极金属焊盘与所述无铅焊料中目标金属原子的浓度差，以及目标金属原子在所述阴极界面金属化合物层中的扩散系数和所述阴极界面金属化合物层的当前厚度，得到阴极界面金属化合物中目标金属原子的净热扩散通量；根据阳极金属焊盘与所述无铅焊料中目标金属原子的浓度差，以及目标金属原子在所述阳极界面金属化合物层中的扩散系数和所述阳极界面金属化合物层的当前厚度，得到所述阳极界面金属化合物中目标金属原子的净热扩散通量。5.根据权利要求1所述的无铅焊点界面金属化合物生长厚度的预测方法，其特征在于，根据所述电迁移通量、所述的溶解通量和所述的净热扩散通量，得到阴极界面金属化合物层的目标金属原子净通量和阳极界面金属化合物层的目标金属原子净通量的步骤包括：确定所述阴极界面金属化合物层和阳极界面金属化合物层中目标金属原子的迁入和迁出关系；根据迁入和迁出关系以及原子守恒定律，分别确定所述阴极界面金属化合物与阳极界面金属化合物对应的所述目标金属原子的净通量。6.根据权利要求1所述的无铅焊点界面金属化合物生长厚度的预测方法，其特征在于，根据所述目标金属原子净通量，以及所述阴极界面金属化合物层中目标金属原子的浓度，得到所述阴极界面金属化合物层的厚度变化速率的步骤包括：获取所述阴极界面金属化合物层中目标金属原子的浓度；将所述浓度输入预先建立的与阴极界面金属化合物层的厚度变化速率相关的第一数学模型；所述第一数学模型根据目标金属原子质量守恒定律建立，其表达式为：其中，CI/IMC表示目标金属原子在阴极界面金属化合物层中的浓度；ΔxAB表示阴极界面金属化合物层的厚度变化值；表示阴极界面金属化合物层中目标金属原子的净热扩散通量；表示阴极界面金属化合物层中目标金属原子迁出的电迁移通量；表示阴极界面金属化合物层中目标金属原子溶解于无铅焊料的溶解通量；求解所述第一数学模型，得到所述阴极界面金属化合物层的厚度变化速率。7.根据权利要求1所述的无铅焊点界面金属化合物生长厚度的预测方法，其特征在于，根据所述目标金属原子净通量，以及所述阳极界面金属化合物层中目标金属原子的浓度，得到所述阳极界面金属化合物层的厚度变化速率的步骤包括：获取所述阳极界面金属化合物层中目标金属原子的浓度；将所述浓度输入预先建立的与阳极界面金属化合物层的厚度变化速率相关的第二数学模型；所述第二数学模型根据目标金属原子质量守恒定律建立，其表达式为：其中，CI/IMC表示目标金属原子在阳极界面金属化合物...

【专利技术属性】
技术研发人员：周斌，付志伟，李勋平，何小琦，
申请(专利权)人：中国电子产品可靠性与环境试验研究所，
类型：发明
国别省市：广东,44