微焊點(diǎn)界面的柯肯達(dá)爾孔洞生長及其抑制研究.pdf

1、隨著微電子工業(yè)的不斷進(jìn)步，消費(fèi)類電子產(chǎn)品向小尺寸、高性能方向迅猛發(fā)展，從而對焊點(diǎn)可靠性提出了更高的要求。焊接和服役過程中的界面固態(tài)擴(kuò)散反應(yīng)會對焊點(diǎn)的微觀組織產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而決定了焊點(diǎn)可靠性?？驴线_(dá)爾(Kirkendall)孔洞是電子器件在較高的單位體積散熱量的情況下由于Cu-Sn熱擴(kuò)散差異產(chǎn)生的潛在的可靠性風(fēng)險形式之一。金屬間化合物(Intermetallic Compound，IMC)內(nèi)部產(chǎn)生的Kirkendall孔洞會降低焊點(diǎn)的機(jī)

2、械性能，將危害焊點(diǎn)的電氣連接性能。
　　 本文研究了影響焊點(diǎn)IMC中Kirkendall孔洞生長的各種因素和Kirkendall孔洞對焊點(diǎn)可靠性的影響。試驗(yàn)中采用Sn3.0Ag0.5Cu、Sn、Sn3.5Ag和Sn37Pb四種不同類型的焊料連接不同的Cu和Ni塊體，制備不同互連結(jié)構(gòu)的焊點(diǎn)。主要研究內(nèi)容包括：
　　 研究了時效老化(老化溫度和老化時間)對Kirkendall孔洞形成的影響，發(fā)現(xiàn)Kirkendall孔洞一般出

3、現(xiàn)在Cu3Sn內(nèi)部靠近Cu基板的區(qū)域；焊點(diǎn)中Kirkendall孔洞的密度隨著老化溫度和時間的增大而增多。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方程曲線擬合得到Kirkendall孔洞占焊點(diǎn)界面比值的經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)這個該公式可以判斷在一定溫度下得到確定孔洞面積比率所需的時間，預(yù)測元件的壽命。
　　 研究了基板材料、材質(zhì)和焊料合金對Kirkendall孔洞的形成的影響?；宀牧?、材質(zhì)包括Cu的材質(zhì)(電鍍Cu、多晶Cu和單晶Cu)和Ni的材質(zhì)(純Ni、

4、電鍍Ni和化學(xué)鍍Ni)。
　　 研究發(fā)現(xiàn)對于無鉛焊料Sn3.0Ag0.5Cu、Sn和Sn37Pb焊料，老化后的電鍍Cu基板和多晶Cu基板焊點(diǎn)中的Cu3Sn金屬間化合物中都產(chǎn)生了Kirkendall孔洞，而相同老化條件下，單晶Cu基板焊點(diǎn)中未發(fā)現(xiàn)Kirkendall孔洞。這是因?yàn)镃u層的微觀結(jié)構(gòu)會影響Cu3Sn層的晶粒結(jié)構(gòu)，而Cu3Sn層的晶粒結(jié)構(gòu)決定了Cu和Sn在其內(nèi)部的互擴(kuò)散速率的差異，這種差異便是Kirkendall孔洞的形

5、成機(jī)制。最后的研究表明Cu層的晶粒越大，晶界越少，Cu3Sn中形成的Kirkendall孔洞就會越少。
　　 對于SnAgCu焊料來說，老化后的焊點(diǎn)界面IMC中Ni-Sn-P層的出現(xiàn)造成了少量Kirkendall孔洞的形成，但是孔洞情況沒有電鍍Cu焊盤嚴(yán)重。而一般純Ni和電鍍Ni焊盤不會產(chǎn)生Kirkendall孔洞。因此，Ni-Sn-P層是形成Kirkendall孔洞的關(guān)鍵，Ni-Sn-P層向外擴(kuò)散出的Sn遠(yuǎn)多于向內(nèi)擴(kuò)散進(jìn)入的S

6、n通量，導(dǎo)致了Kirkendall孔洞的形成。
　　 Cu/SAC305/Cu互連結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)中，隨著老化時間的延長，IMC(Cu6Sn5和Cu3Sn)不斷的長大，并且隨著Cu3Sn中的Kirkendall孔洞密度不斷的增長，焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度不斷降低。焊點(diǎn)界面中IMC內(nèi)部的Kirkendall孔洞的存在將降低金屬間化合物的強(qiáng)度，并且孔洞數(shù)量越多，焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度降低得越大。焊點(diǎn)斷裂模式會隨著老化發(fā)生轉(zhuǎn)變：由于焊料弱化了界面，回流或者短時