錫基釬料與多晶銅焊盤(pán)界面反應(yīng)行為研究.pdf

1、隨著封裝體積的減小,界面金屬間化合物(IMCs, Intermetallic compounds)在焊點(diǎn)內(nèi)所占的比重越來(lái)越大,其形貌、尺寸、晶體取向以及厚度等將會(huì)對(duì)電子器件互連點(diǎn)的可靠性造成嚴(yán)重的影響。雖然界面 IMCs生長(zhǎng)行為已受到了廣泛的研究,但是由于尚缺少一些關(guān)于界面 IMCs生長(zhǎng)的重要信息,并且一些研究中的實(shí)驗(yàn)方法也不太恰當(dāng),因此到目前為止界面 IMCs的生長(zhǎng)行為還沒(méi)有被清晰的揭示。本課題就針對(duì)這些研究中的不足之處,對(duì)Sn基釬料

2、與Cu焊盤(pán)之間的界面反應(yīng)進(jìn)行研究,揭示了界面 IMCs在焊點(diǎn)形成以及隨后高溫服役過(guò)程中的形貌、織構(gòu)演變、粗化行為、生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)以及這幾種生長(zhǎng)行為之間的相互影響。本課題的研究結(jié)果對(duì)無(wú)鉛釬料的研發(fā)及應(yīng)用,以及提高焊點(diǎn)可靠性都具有重要的意義。
　　本文設(shè)計(jì)了可以獲取任意時(shí)刻下形成于液態(tài)釬料與Cu焊盤(pán)之間的界面反應(yīng)物的實(shí)驗(yàn)方法,通過(guò)對(duì)這些反應(yīng)物進(jìn)行分析,揭示了界面 IMCs在液相反應(yīng)過(guò)程中的生長(zhǎng)行為。研究結(jié)果澄清了焊點(diǎn)形成過(guò)程中界面Cu6S

3、n5晶粒的形貌演變機(jī)制:在液相反應(yīng)過(guò)程中界面Cu6Sn5都保持著圓滑的扇貝狀形貌,前期生長(zhǎng)主要受晶界擴(kuò)散控制而后期主要受體擴(kuò)散控制。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,Cu3Sn的生長(zhǎng)一直受體擴(kuò)散控制。在釬料凝固過(guò)程中,如果釬料基體內(nèi)Cu含量足夠高, Cu將會(huì)以Cu6Sn5的形式在界面處析出并以界面處已存在的Cu6Sn5晶粒為核,沿著其[0001]方向生長(zhǎng),長(zhǎng)成長(zhǎng)條棱鏡狀晶粒,棱鏡狀晶粒平直表面的晶面指數(shù)為(10-10)。
　　研究了焊點(diǎn)形成過(guò)程中

4、界面 Cu6Sn5的晶體取向。研究結(jié)果表明,與單晶Cu的情況相似,生長(zhǎng)于多晶Cu界面處的Cu6Sn5晶粒也表現(xiàn)出明顯的織構(gòu)行為,但是兩種織構(gòu)的形成機(jī)制不一樣。多晶Cu上的織構(gòu)形成于界面Cu6Sn5的粗化過(guò)程中,主要原因是不同反應(yīng)體系內(nèi),不同取向的Cu6Sn5晶粒的穩(wěn)定性不同。界面Cu6Sn5晶粒的織構(gòu)型生長(zhǎng)行為影響其形貌演變和粗化行為。
　　發(fā)現(xiàn)了Sn3.5Ag釬料與多晶Cu焊盤(pán)液相反應(yīng)過(guò)程中界面IMCs的生長(zhǎng)厚度與一些研究學(xué)者的

5、預(yù)期不同,Ag并沒(méi)有抑制界面處IMCs的生長(zhǎng)和Cu焊盤(pán)的消耗。相反地,通過(guò)改變釬料與界面IMCs之間的界面能,Ag的添加會(huì)影響界面 Cu6Sn5的生長(zhǎng)取向和粗化行為,使得在相同反應(yīng)條件下出現(xiàn)在Sn3.5Ag/Cu界面處的Cu6Sn5晶界多于出現(xiàn)在Sn/Cu界面處的,進(jìn)而導(dǎo)致在Sn3.5Ag/Cu反應(yīng)中更大的Cu焊盤(pán)的消耗和界面IMCs的生成。
　　研究了固相反應(yīng)過(guò)程中形成于Sn基釬料與Cu焊盤(pán)之間界面IMCs的晶體取向,結(jié)果表明S

6、n37Pb/Cu和Sn3.5Ag/Cu界面處的Cu6Sn5晶粒呈現(xiàn)出織構(gòu)型生長(zhǎng),并且織構(gòu)的形貌主要決定于初始焊點(diǎn)界面Cu6Sn5晶粒的晶體取向。在固態(tài)釬料中,[0001]晶向垂直于界面的Cu6Sn5晶粒比其他取向的晶粒更為穩(wěn)定,造成了200℃形成的Sn37Pb/Cu焊點(diǎn)和240℃形成的Sn3.5Ag/Cu焊點(diǎn)在固相老化過(guò)程中界面Cu6Sn5晶粒形成[0001]晶向垂直于焊盤(pán)的織構(gòu);而對(duì)于280℃形成的焊點(diǎn),由于在重熔過(guò)程中絕大部分[00

7、01]晶向垂直于界面的Cu6Sn5晶粒已消失,因此在界面處未能出現(xiàn)[0001]晶向垂直于焊盤(pán)的織構(gòu)。通過(guò)對(duì)兩種不同溫度下形成于Sn37Pb/Cu界面IMCs層厚度的測(cè)量,發(fā)現(xiàn)Sn沿Cu6Sn5的[0001]晶向擴(kuò)散較快,使得在相同的固相老化條件下,200℃形成于 Sn37Pb/Cu焊點(diǎn)界面處的IMCs多于280℃形成于Sn37Pb/Cu焊點(diǎn)界面處的IMCs。
　　討論了不同形貌的界面 IMCs對(duì)焊點(diǎn)剪切性能的影響。根據(jù)前幾部分的研

8、究結(jié)果,制備出了一些具有特定形貌界面 IMCs的焊點(diǎn),并對(duì)其進(jìn)行了剪切性能測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度主要受釬料基體微觀組織以及界面Cu6Sn5形貌的影響,與界面IMCs厚度關(guān)系不大。在剪切高度比較低的情況下,焊點(diǎn)主要在界面處發(fā)生斷裂。不同形貌的界面Cu6Sn5將會(huì)對(duì)焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度產(chǎn)生重要的影響:深深嵌入進(jìn)釬料基體的棱鏡狀Cu6Sn5可以有效地抑制焊點(diǎn)剪切過(guò)程中釬料基體內(nèi)的塑性變形和裂紋擴(kuò)展,因此具有棱鏡狀界面Cu6Sn5的焊點(diǎn)剪切強(qiáng)