Cu-Sn界面固態(tài)擴散行為及Cu3Sn-Cu界面空洞的形成機制.pdf

1、PCB(Printed Circuit Board)上電鍍Cu焊盤與Sn基釬料所形成的接頭在固態(tài)老化后，可以在Cu3Sn/Cu界面觀察到空洞的出現(xiàn)，這種Cu3Sn/Cu界面空洞會降低接頭在動態(tài)載荷作用下的力學性能，影響PCB電路板的板級跌落可靠性。對于Cu3Sn/Cu界面空洞的形成機制，多數(shù)觀點將其歸結于Kirkendall效應，但是，最新研究結果表明Cu3Sn/Cu界面空洞的形成機制還受其他一些因素影響。
　　Cu3Sn/Cu界

2、面空洞問題涉及Cu/Sn基釬料界面固態(tài)反應，為了能更加深入地了解Cu3Sn/Cu界面空洞的形成過程，首先對Cu/Sn基釬料界面固態(tài)反應進行了原位定量研究。根據(jù)Cu3Sn/Cu界面空洞降低PCB電路板板級跌落可靠性的事實，預測這種Cu3Sn/Cu界面空洞必然會影響單個焊點在動態(tài)載荷作用下的力學行為。因此，對單個焊點在高速剪切載荷作用下的力學性能也進行了研究。進一步，通過對多種Cu3Sn/Cu界面空洞傾向不同的Cu基板的組織成分的對比分析，

3、歸納總結導致Cu3Sn/Cu界面空洞形成及生長的關鍵因素，并采用動力學觀點研究空洞的形成及生長過程，確定導致Cu3Sn/Cu界面空洞問題的機制。
　　在Cu/Sn3.0Ag0.5Cu(SAC305)接頭界面處用納米壓痕點作為定量標記，原位定量研究了固態(tài)老化過程中各界面的移動以及金屬間化合物的相互轉化情況。通過對界面反應的原位定量研究，發(fā)現(xiàn)Kirkendall效應并不足以導致Cu3Sn/Cu界面空洞問題，在電鍍Cu接頭老化中存在其他

4、一些物理過程對Cu3Sn/Cu界面空洞的形成及生長有著更重要的作用。
　　對電鍍Cu焊盤和無氧Cu基板的Cu3Sn/Cu界面空洞傾向進行了研究，發(fā)現(xiàn)Cu3Sn/Cu界面空洞更易出現(xiàn)于電鍍Cu焊盤的焊點中。制備了電鍍Cu焊盤與SAC305和Sn37Pb兩種釬料的BGA(Ball Grid Array)焊點，對焊點進行了靜態(tài)剪切試驗和動態(tài)剪切試驗，對比分析了Cu3Sn/Cu界面空洞對焊點力學性能特別是高速剪切載荷下的斷裂失效行為的影響

5、。試驗結果表明，Cu3Sn/Cu界面空洞并不會影響這兩種焊點的靜態(tài)剪切性能以及Cu/Sn37Pb焊點的高速剪切性能。但是Cu3Sn/Cu界面空洞會影響Cu/SAC305焊點在高速剪切載荷作用下的斷裂模式，斷裂多發(fā)生于空洞聚集的Cu3Sn/Cu界面及附近的Cu3Sn層中。
　　通過對電鍍Cu焊盤和無氧Cu基板Cu3Sn/Cu界面空洞的觀察以及對兩種Cu基板組織及成分的分析，發(fā)現(xiàn)Kirkendall效應并不是導致Cu3Sn/Cu界面空

6、洞的唯一因素，Cu基板的晶粒尺寸對Cu3Sn/Cu界面空洞有著重要作用。為了進一步驗證晶粒尺寸對Cu3Sn/Cu界面空洞的影響，設計制備了磁控濺射Cu基板，并和高純無氧Cu基板和單晶Cu基板對比，確定了晶粒尺寸確實對Cu3Sn/Cu界面空洞有著重要作用。細小的晶粒尺寸可以增加有效空位(EV,Effective Vacancy)密度并且固態(tài)老化過程中晶界能減少所釋放的能量將為Cu3Sn/Cu界面空洞的形成提供除Kirkendall效應之外

7、另一種驅動力，從動力學角度解釋了晶粒尺寸影響Cu3Sn/Cu界面空洞的原因。Cu3Sn/Cu界面空洞的形成過程是一個動力學過程，包括空位的形核及生長兩個階段，其中空位的形核方式又可以分為均勻形核與非均勻形核。利用磁控濺射Cu基板研究了空位的均勻形核過程，發(fā)現(xiàn)均勻形核過程不需要非均勻形核質點，但均勻形核需要的形核能較高，形核較為困難，所導致的Cu3Sn/Cu界面空洞傾向較弱。利用含有添加劑和不含添加劑的鍍液制備的電鍍Cu焊盤以及焦磷酸鹽鍍

8、銅液制備的Cu焊盤研究了添加劑殘留及電鍍缺陷等非均勻形核質點對空位非均勻形核的影響，發(fā)現(xiàn)非均勻形核質點可以降低空位的形核能，致使電鍍Cu焊盤呈現(xiàn)嚴重的Cu3Sn/Cu界面空洞傾向。最后，利用高能離子注入方法制備了含有雜質元素P及注入缺陷的高純無氧Cu基板試樣，確認了在Cu3Sn/Cu界面存在Kirkendall效應和非均勻形核質點，而沒有晶粒尺寸(有效空位)這個影響因素時，并不能導致Cu3Sn/Cu界面空洞，晶粒尺寸對Cu3Sn/Cu界

9、面空位的均勻形核與非均勻形核均有重要影響。
　　根據(jù)Cu3Sn/Cu界面空洞形成機理的研究結果，提出了兩種消除或抑制電鍍Cu焊盤Cu3Sn/Cu界面空洞問題的有效方法。一種是對電鍍Cu焊盤進行低溫的長期固態(tài)老化處理，通過增大Cu焊盤的晶粒尺寸來抑制Cu3Sn/Cu界面空洞形成的驅動力，消除或抑制Cu3Sn/Cu界面空洞。另一種是對電鍍Cu焊盤進行快速退火處理，快速退火處理一方面可以增大Cu焊盤的晶粒尺寸，另一方面可以使殘留在電鍍C