Cu-Sn互連界面的尺寸效應及微力學特性.pdf

1、Sn基焊料在電子器件中被廣泛地用于連接器件與基板，以提供所需的機械支撐和電信號通路?？煽炕ミB焊點的性能主要取決于在回流中熔化的焊料與固態(tài)基板間的反應。此反應在焊料/基板界面所生成的IMC層會在后續(xù)的器件服役期間或者高溫老化期間持續(xù)生長，導致焊點中的IMC比例不斷上升。由于IMC層（如Cu6Sn5和Cu3Sn）的力學性能，例如楊氏模量、硬度等，與焊點的焊料基體和被連接的金屬表面（如基板焊盤、引腳）有很大差別。因此，焊點中IMC比例的上升會

2、導致焊點在外載荷作用下內部變形明顯不協調，這會引起重要的互連焊點可靠性問題。另外，IMC生長過程中同時伴隨著體積收縮。在微小焊點中，由于IMC的比例較高，IMC生長引起的體積收縮會進一步導致焊點的尺寸變化、殘余應力、影響焊點的宏觀變形行為以及宏觀斷裂行為。在過去的幾十年中，雖然有大量的關于界面IMC層以及其對焊點可靠性影響的研究工作。但是，關于由IMC層生長導致的體積收縮所引起的焊點各種可靠性問題的研究，文獻中少有報導。
　　本文

3、研究了Sn基無鉛焊點在老化后的IMC生長以及由IMC生長導致的體積收縮和由于體積收縮導致的焊點界面殘余應力的演化。另外，還對IMC層生長伴隨的體積收縮對焊點整體的壓蠕變變形和拉伸斷裂行為的影響進行了研究和分析。主要研究成果如下：
　　研究了Sn-1％Cu/Cu焊點中界面處沿擴散方向以及垂直于擴散方向的IMC生長。在175℃老化之后，Cu6Sn5、Cu3Sn層的水平生長與老化時間的關系為,(此處公式省略)和（此處公式省略）,其中t為

4、老化時間，單位為h；h為IMC層厚度，單位為μm。在相同老化溫度下，垂直IMC的高度與老化時間呈拋物線規(guī)律，其關系式為y=0.11√t，其中t為老化時間，單位為h，y為垂直IMC的高度，單位為μm。
　　另外，垂直 IMC為兩層結構，外層為Cu6Sn5內部為Cu3Sn，但是Cu3Sn先于Cu6Sn5形成。因此，IMC的垂直生長中Cu6Sn5和Cu3Sn的形成順序與水平IMC層中兩種IMC的形成順序相反。老化過程中，IMC沿兩個方向

5、的生長與老化時間均呈拋物線關系，這表明兩個方向的生長均是由擴散主導的。但是，由于相對較長的擴散距離，IMC垂直生長速率明顯低于水平生長速率。
　　本文還對由界面IMC層生長引起的焊點體積收縮進行了研究。在不同的老化時間之后，使用納米壓痕系統對經過特殊設計的試樣表面的形貌進行測量。通過測量發(fā)現，在175℃老化1132.5h后，焊點的塌陷可以達到1.2μm。并且，焊點的塌陷與老化時間在本文的實驗條件下符合Δh=0.031×√t的關系。

6、由此得到的尺寸變化系數（焊點塌陷高度與 IMC層的厚度比）為αexperiment=-0.114。假設Cu6Sn5和Cu3Sn均為各向同性并且致密的結構，焊點塌陷的理論值為Δhtotal=-(0.04-0.004x)√t（其中x為由9Cu+Cu6Sn5→5Cu3Sn生成的Cu3Sn的體積占總體積的比例；t為老化時間，單位為h）。因此，尺寸變化系數的理論值為αideal=-0.147+0.0147x。通過比較可以得出，焊點塌陷的理論計算結

7、果與實驗測得的結果相符合。
　　焊點中IMC層生長導致的體積收縮極有可能受限于相鄰的焊料和基板，這可能導致焊料/Cu界面殘余應力的產生。因此，老化后，在Sn-1%Cu焊料、界面Cu6Sn5層、界面Cu3Sn層以及Cu基板進行控制深度的納米壓痕實驗，以研究焊點中殘余應力隨老化時間的演變。實驗結果顯示焊料/Cu界面不同部分的應力狀態(tài)與實際位置以及成分有關：（1）老化過程中，Cu3Sn/Cu界面附近的Cu基板中央以及邊緣均處于壓應力狀態(tài)

8、，其平均值為560MPa；（2）焊料/Cu6Sn5界面附近的焊料中央部分和邊緣的應力為70MPa和90MPa；（3）老化后，界面Cu6Sn5層中的壓應力在中央和邊緣分別上升至4GPa和3GPa；（4）相對地，在老化過程中，Cu3Sn層內在中央和邊緣的拉伸應力均有上升，分別達到了1.7GPa和0.5GPa。
　　從焊點中相鄰兩部分的應力-老化時間(S-t)曲線的對比結果中，可以得出：（1）界面 Cu6Sn5層和相鄰的焊料得到的S-t

9、曲線沒有明顯的關聯；（2）在焊點中央，Cu基板和界面Cu3Sn層內的應力隨著老化時間呈相反的趨勢演變，這表明焊點中央的Cu3Sn層主要受相鄰的Cu基板的約束；（3）焊點邊緣的Cu3Sn層主要由相鄰的Cu6Sn5層約束。
　　通過搭建蠕變實驗裝置，對SAC305/Cu焊點的壓蠕變行為進行了初步研究。通過研究發(fā)現，當壓應力為17.8～22.9MPa、溫度為433～463K時，SAC305/Cu焊點的穩(wěn)態(tài)蠕變應變?yōu)?.6～1.4%，對應

10、的穩(wěn)態(tài)壓蠕變變形為2.5～5.8μm。在該條件下Sn-1%Cu/Cu焊點穩(wěn)態(tài)蠕變過程中，界面處 IMC層的厚度增加約1μm左右。由于IMC生長引起的高度變化為0.05～0.16μm，占穩(wěn)態(tài)壓蠕變過程中焊點高度下降總量的1~4%。因此，在焊點穩(wěn)態(tài)蠕變過程中，IMC生長伴隨的體積收縮所引起的焊點高度變化對實驗測量得到的焊點蠕變變形總量的影響可以忽略不計。
　　通過在FIB制備的Cu6Sn5和Cu3Sn微柱上進行微懸臂梁測試，研究了Sn

11、-1%Cu/Cu界面處的Cu6Sn5層和Cu3Sn層的拉伸斷裂行為。在微懸臂梁測試中，Cu6Sn5和Cu3Sn微柱在外加載荷條件下一直保持彈性變形，直至斷裂。測試后，由Cu6Sn5微柱的斷口形貌可知Cu6Sn5的主要斷裂模式為穿晶斷裂和沿晶斷裂。而Cu3Sn微柱的斷裂僅存在沿晶斷裂。IMC微柱斷裂模式的不同主要是由界面Cu6Sn5層和Cu3Sn層的微觀組織結構決定的。
　　另外，通過Cu/SAC305/Cu焊點的拉伸實驗，發(fā)現在老

12、化前焊點的斷裂模式為韌性斷裂，斷裂強度為70.8±9.0MPa。當 IMC顆粒沿焊料晶界處集中時，由于IMC生長伴隨的體積收縮會引起應力和缺陷集中，導致焊點的拉伸強度下降至58.9±6.8MPa。當焊點老化81h后，焊點從IMC層中斷裂，并且斷裂強度下降明顯，為57.8±8.4MPa。Cu/SAC305/Cu焊點的斷裂模式和斷裂強度的變化是由于IMC顆粒的特殊分布或者IMC生長伴隨的體積收縮導致IMC層中應力和孔洞的積累導致的。通過對比