Sn基釬料-Cu界面柯肯達(dá)爾空洞機(jī)理研究.pdf

1、隨著電子產(chǎn)品的微型化和多功能化，電子封裝的密度不斷增加，封裝芯片和焊點(diǎn)（釬焊接頭）的尺寸越來(lái)越小，使得反應(yīng)界面占整個(gè)接頭的比例越來(lái)越大。因此，界面微觀組織對(duì)接頭可靠性的影響也越來(lái)越大。在固態(tài)熱老化處理的過(guò)程中，接頭的反應(yīng)界面處常會(huì)出現(xiàn)密度較高的柯肯達(dá)爾空洞(KirkendallVoid)，其對(duì)接頭可靠性的影響不容忽視，這已引起國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。
　　 本文采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)、透射電鏡(TEM)、X射線光電子能

2、譜(XPS)和X射線衍射儀(XRD)等分析手段表征了接頭反應(yīng)界面的微觀組織形貌、成分和物相結(jié)構(gòu);通過(guò)引入初始反應(yīng)界面參照法研究了Cu和Sn元素在金屬間化合物(Intermetalliccompound，簡(jiǎn)稱IMC)層中的擴(kuò)散性質(zhì);利用磁控濺射和電鍍技術(shù)制備了多種Cu基板以對(duì)比研究Sn/Cu界面處柯肯達(dá)爾空洞的形成機(jī)制;運(yùn)用第一性原理方法計(jì)算了IMC晶體中空位的擴(kuò)散性質(zhì)，并采用有限元方法分析了反應(yīng)界面處殘余應(yīng)力的分布，以共同研究柯肯達(dá)爾空

3、洞與Cu3Sn層的關(guān)聯(lián)性;還向Sn/Cu體系中添加微量合金元素以研究其對(duì)柯肯達(dá)爾空洞的抑制機(jī)理。
　　 采用接頭角部區(qū)域的初始反應(yīng)界面（未反應(yīng)Cu基板的上表面）作為參照面，觀察分析了不同相界面的遷移規(guī)律。結(jié)果表明，隨著熱老化時(shí)間的延長(zhǎng)，接頭中釬料(Solder)/Cu6Sn5和Cu3Sn/Cu界面分別向釬料基體和Cu基板兩個(gè)方向遷移，而Cu6Sn5/Cu3Sn界面的遷移方向與熱老化溫度相關(guān)。在150℃時(shí)，Cu6Sn5/Cu3Sn

4、界面向釬料基體方向遷移;165℃時(shí)，該界面向Cu基板方向遷移;升至180℃時(shí)，該界面的相對(duì)位置基本保持恒定（除Sn0.7Cu/Cu接頭，其界面向Cu基板方向遷移）。根據(jù)每個(gè)相界面的相對(duì)位置，可以建立模型來(lái)計(jì)算研究Cu和Sn在IMC層中的擴(kuò)散通量及其隨熱老化時(shí)間的演變趨勢(shì)。計(jì)算結(jié)果表明，Cu和Sn處于不平衡擴(kuò)散狀態(tài)，Cu為主導(dǎo)擴(kuò)散元素，這是柯肯達(dá)爾空洞形成的基礎(chǔ);Cu和Sn在兩種IMC層(Cu6Sn5和Cu3Sn)中的擴(kuò)散通量均隨熱老化時(shí)

5、間的延長(zhǎng)而減小。在熱老化處理的初始階段，Cu的擴(kuò)散通量大于Sn;隨著熱老化時(shí)間的延長(zhǎng)，兩者的擴(kuò)散通量逐漸接近。
　　 構(gòu)建了Sn/Cu體系，通過(guò)采用不同的Cu基板來(lái)對(duì)比分析影響Sn/Cu接頭中柯肯達(dá)爾空洞形成的各種因素。柯肯達(dá)爾空洞沒(méi)有在使用高純基板的界面出現(xiàn)，而在使用真空濺射基板和電鍍基板的反應(yīng)界面處形成，故柯肯達(dá)爾空洞的形成與基板存在直接聯(lián)系。真空濺射基板和電鍍基板的晶粒尺寸很小，晶界內(nèi)存儲(chǔ)著大量能量，其中部分能量會(huì)在界面反

6、應(yīng)過(guò)程中釋放并被引入界面，從而促進(jìn)柯肯達(dá)爾空洞的形成。此外，電鍍基板中還含有雜質(zhì)，其可以降低柯肯達(dá)爾空洞的形成能。熱老化過(guò)程中，界面柯肯達(dá)爾空洞的形成過(guò)程主要包括孕育期、形核期、生長(zhǎng)期和愈合期四個(gè)階段;柯肯達(dá)爾空洞全部在Cu3Sn/Cu界面和Cu3Sn層內(nèi)形成，而沒(méi)有在Cu6Sn5層出現(xiàn)。在Sn/Cu擴(kuò)散偶中，Sn鍍層內(nèi)也存在多種雜質(zhì)元素，但柯肯達(dá)爾空洞傾向于在Cu6Sn5/Cu3Sn和Cu3Sn/Cu界面形成，而沒(méi)有在靠近Sn鍍層的C

7、u6Sn5層和Sn(電鍍)/Cu6Sn5界面出現(xiàn)。因此，柯肯達(dá)爾空洞與Cu3Sn層存在很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。
　　 分別從微觀和宏觀角度研究了柯肯達(dá)爾空洞與Cu3Sn層的關(guān)聯(lián)性。采用第一性原理方法研究了Cu3Sn和Cu6Sn5晶體的空位擴(kuò)散性質(zhì)，結(jié)果表明，兩種晶體中Cu空位的形成能比較接近，它們均小于相應(yīng)晶體內(nèi)Sn空位的形成能;兩種晶體內(nèi)Sn原子的擴(kuò)散能壘均高于Cu原子，Cu6Sn5晶體中Cu原子的擴(kuò)散能壘高于Cu3Sn晶體，這些擴(kuò)散性

8、質(zhì)有利于柯肯達(dá)爾空洞在Cu3Sn晶體內(nèi)形核。在接頭的反應(yīng)界面處，形成IMC相會(huì)導(dǎo)致顯著的局部體積收縮，從而引入殘余應(yīng)力。采用有限元方法計(jì)算了界面處相變殘余應(yīng)力的分布，結(jié)果表明，界面Cu3Sn層處于較大的拉應(yīng)力狀態(tài);Cu3Sn/Cu界面處的應(yīng)力梯度最大，Cu6Sn5/Cu3Sn界面次之，Sn/Cu6Sn5界面最小;而界面柯肯達(dá)爾空洞分布在最大應(yīng)力梯度所在區(qū)域。界面應(yīng)力梯度加劇了界面組分元素的不平衡擴(kuò)散，促進(jìn)了柯肯達(dá)爾空洞的形核生長(zhǎng)。相變殘

9、余應(yīng)力通過(guò)Cu3Sn層與柯肯達(dá)爾空洞聯(lián)系起來(lái)。
　　 向Sn/Cu(電鍍)體系添加微量的Cu或Zn或Ni元素均可以抑制柯肯達(dá)爾空洞的形成，但其抑制機(jī)理各異。添加Cu不會(huì)改變界面IMC層的物相和微觀組織，但其會(huì)降低界面區(qū)域Cu的濃度梯度，從而阻緩Cu的擴(kuò)散，減少Cu和Sn不平衡擴(kuò)散的程度。添加Zn會(huì)改變界面IMC層的物相和微觀組織，Zn含量較低（0.2和0.5wt.％）時(shí)，界面處形成Cu6(Sn,Zn)5層;含量增至0.8wt.％

10、時(shí)，Zn在界面處出現(xiàn)了明顯的富集，形成了(Cu,Zn)6Sn5、Cu6(Sn，Zn)5和Cu-Zn固溶合金三個(gè)層。(Cu,Zn)6Sn5和Cu6(Sn,Zn)5層的晶粒組織對(duì)界面擴(kuò)散的影響不大，但富Zn的Cu-Zn固溶合金層有效地阻緩了Cu的擴(kuò)散。Zn在很大程度上參與了界面擴(kuò)散，其擴(kuò)散方向與Sn一致，有效抑制了Cu的擴(kuò)散，緩解了Cu和Sn不平衡擴(kuò)散的程度。添加Ni也會(huì)改變界面IMC層的物相和微觀組織，界面處形成了(Cu,Ni)6Sn5層