錫基釬料與多晶銅焊盤界面反應行為研究.pdf

1、隨著封裝體積的減小,界面金屬間化合物(IMCs, Intermetallic compounds)在焊點內(nèi)所占的比重越來越大,其形貌、尺寸、晶體取向以及厚度等將會對電子器件互連點的可靠性造成嚴重的影響。雖然界面 IMCs生長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生長的重要信息,并且一些研究中的實驗方法也不太恰當,因此到目前為止界面 IMCs的生長行為還沒有被清晰的揭示。本課題就針對這些研究中的不足之處,對Sn基釬料

2、與Cu焊盤之間的界面反應進行研究,揭示了界面 IMCs在焊點形成以及隨后高溫服役過程中的形貌、織構(gòu)演變、粗化行為、生長動力學以及這幾種生長行為之間的相互影響。本課題的研究結(jié)果對無鉛釬料的研發(fā)及應用,以及提高焊點可靠性都具有重要的意義。
　　本文設(shè)計了可以獲取任意時刻下形成于液態(tài)釬料與Cu焊盤之間的界面反應物的實驗方法,通過對這些反應物進行分析,揭示了界面 IMCs在液相反應過程中的生長行為。研究結(jié)果澄清了焊點形成過程中界面Cu6S

3、n5晶粒的形貌演變機制:在液相反應過程中界面Cu6Sn5都保持著圓滑的扇貝狀形貌,前期生長主要受晶界擴散控制而后期主要受體擴散控制。在整個實驗過程中,Cu3Sn的生長一直受體擴散控制。在釬料凝固過程中,如果釬料基體內(nèi)Cu含量足夠高, Cu將會以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,長成長條棱鏡狀晶粒,棱鏡狀晶粒平直表面的晶面指數(shù)為(10-10)。
　　研究了焊點形成過程中

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)的形成機制不一樣。多晶Cu上的織構(gòu)形成于界面Cu6Sn5的粗化過程中,主要原因是不同反應體系內(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焊盤液相反應過程中界面IMCs的生長厚度與一些研究學者的

5、預期不同,Ag并沒有抑制界面處IMCs的生長和Cu焊盤的消耗。相反地,通過改變釬料與界面IMCs之間的界面能,Ag的添加會影響界面 Cu6Sn5的生長取向和粗化行為,使得在相同反應條件下出現(xiàn)在Sn3.5Ag/Cu界面處的Cu6Sn5晶界多于出現(xiàn)在Sn/Cu界面處的,進而導致在Sn3.5Ag/Cu反應中更大的Cu焊盤的消耗和界面IMCs的生成。
　　研究了固相反應過程中形成于Sn基釬料與Cu焊盤之間界面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,并且織構(gòu)的形貌主要決定于初始焊點界面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焊點和240℃形成的Sn3.5Ag/Cu焊點在固相老化過程中界面Cu6Sn5晶粒形成[0001]晶向垂直于焊盤的織構(gòu);而對于280℃形成的焊點,由于在重熔過程中絕大部分[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]晶向垂直于焊盤的織構(gòu)。通過對兩種不同溫度下形成于Sn37Pb/Cu界面IMCs層厚度的測量,發(fā)現(xiàn)Sn沿Cu6Sn5的[0001]晶向擴散較快,使得在相同的固相老化條件下,200℃形成于 Sn37Pb/Cu焊點界面處的IMCs多于280℃形成于Sn37Pb/Cu焊點界面處的IMCs。
　　討論了不同形貌的界面 IMCs對焊點剪切性能的影響。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,并對其進行了剪切性能測試。實驗結(jié)果表明焊點的剪切強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,焊點主要在界面處發(fā)生斷裂。不同形貌的界面Cu6Sn5將會對焊點剪切強度產(chǎn)生重要的影響:深深嵌入進釬料基體的棱鏡狀Cu6Sn5可以有效地抑制焊點剪切過程中釬料基體內(nèi)的塑性變形和裂紋擴展,因此具有棱鏡狀界面Cu6Sn5的焊點剪切強