熱遷移下Ni-Sn-xZn-Ni和Ni-Sn-xCu-Ni微焊點釬焊界面反應(yīng)研究.pdf

1、微電子封裝技術(shù)不斷朝著高密度、高可靠性的趨勢發(fā)展。在此背景下，三維（3D）封裝等先進封裝技術(shù)應(yīng)運而生，成為半導(dǎo)體技術(shù)以低成本延續(xù)摩爾定律的重要出路之一。3D封裝技術(shù)中微焊點尺寸不斷減小，導(dǎo)致電流密度的急劇增加，焦耳熱問題突出，一方面提高了微焊點的溫度，可能導(dǎo)致釬料熔化；另一方面，由于焦耳熱分布不均勻，在微焊點中易形成溫度梯度，從而引發(fā)金屬原子的熱遷移，影響微焊點界面反應(yīng)。本論文采用極具應(yīng)用前景的Sn-Zn和Sn-Cu無鉛釬料，研究Ni/

2、Sn-xZn/Ni和Ni/Sn-xCu/Ni微焊點在溫度為265 oC、溫度梯度為1304 oC/cm條件下釬焊時的界面反應(yīng)，揭示Zn、Cu含量與熱遷移對界面IMC生長、演變以及Ni基體溶解行為的影響機制。研究表明：
　?。?）Ni/Sn-xZn/Ni微焊點中，均發(fā)生冷、熱端界面IMC的非對稱生長和轉(zhuǎn)變，以及Ni基體的非對稱溶解現(xiàn)象。Zn含量顯著影響界面IMC的生長與演變，參與界面反應(yīng)的主要擴散元素在初始階段為Zn，在反應(yīng)后期為N

3、i和Sn。因此，隨著反應(yīng)的進行或Zn含量的降低，界面IMC的轉(zhuǎn)變順序為：Ni5Zn21??相?(Ni,Zn)3Sn4?Ni3Sn4，增加Zn含量可延緩界面IMC的轉(zhuǎn)變。冷端界面IMC的厚度始終大于熱端的，而熱端界面IMC轉(zhuǎn)變始終比冷端更快速、更充分，表明Zn和Ni原子均由熱端向冷端遷移。當釬料中Zn含量大于5 wt.%時，可顯著降低冷端界面IMC的生長速率和熱端Ni基體的溶解速率。
　?。?）在Ni/Sn-0.3Cu/Ni微焊點中

4、，界面IMC始終為初始的(Ni,Cu)3Sn4，但出現(xiàn)冷端界面IMC厚度明顯大于熱端的非對稱生長現(xiàn)象；在Ni/Sn-0.7Cu/Ni和Ni/Sn-1.5Cu/Ni微焊點中，界面IMC逐漸由初始的(Cu,Ni)6Sn5轉(zhuǎn)變?yōu)?Ni,Cu)3Sn4，同時出現(xiàn)冷端滯后于熱端的非對稱轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。微焊點中Cu含量的增加，使得冷、熱端界面IMC轉(zhuǎn)變均延緩。Cu和Ni原子的熱遷移方向均由熱端指向冷端，主熱遷移元素受到釬料中Cu含量的影響，隨著Cu含量的

5、降低，主熱遷移元素依次為Cu、Cu和Ni以及Ni。此外，熱遷移促進了熱端Ni原子向釬料中的擴散，加速了熱端Ni基體的溶解，溶解到釬料中的Ni原子大部分遷移到冷端并參與界面反應(yīng)；相反，熱遷移顯著抑制了冷端 Ni原子的擴散，因此冷端Ni基體幾乎不溶解。
　?。?）等溫回流下發(fā)生界面反應(yīng)時，Cu、Zn原子含量引起的界面 IMC的演變順序與熱遷移過程一樣，但兩側(cè)界面 IMC呈對稱性生長，IMC的生長與轉(zhuǎn)變均比熱遷移過程緩慢。熱遷移過程，冷