Sn基釬料-Cu界面柯肯達爾空洞機理研究.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（釬焊接頭）的尺寸越來越小，使得反應界面占整個接頭的比例越來越大。因此，界面微觀組織對接頭可靠性的影響也越來越大。在固態(tài)熱老化處理的過程中，接頭的反應界面處常會出現(xiàn)密度較高的柯肯達爾空洞(KirkendallVoid)，其對接頭可靠性的影響不容忽視，這已引起國內外研究者的廣泛關注。
　　 本文采用場發(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界面的微觀組織形貌、成分和物相結構;通過引入初始反應界面參照法研究了Cu和Sn元素在金屬間化合物(Intermetalliccompound，簡稱IMC)層中的擴散性質;利用磁控濺射和電鍍技術制備了多種Cu基板以對比研究Sn/Cu界面處柯肯達爾空洞的形成機制;運用第一性原理方法計算了IMC晶體中空位的擴散性質，并采用有限元方法分析了反應界面處殘余應力的分布，以共同研究柯肯達爾空

3、洞與Cu3Sn層的關聯(lián)性;還向Sn/Cu體系中添加微量合金元素以研究其對柯肯達爾空洞的抑制機理。
　　 采用接頭角部區(qū)域的初始反應界面（未反應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。結果表明，隨著熱老化時間的延長，接頭中釬料(Solder)/Cu6Sn5和Cu3Sn/Cu界面分別向釬料基體和Cu基板兩個方向遷移，而Cu6Sn5/Cu3Sn界面的遷移方向與熱老化溫度相關。在150℃時，Cu6Sn5/Cu3Sn

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

5、間的延長而減小。在熱老化處理的初始階段，Cu的擴散通量大于Sn;隨著熱老化時間的延長，兩者的擴散通量逐漸接近。
　　 構建了Sn/Cu體系，通過采用不同的Cu基板來對比分析影響Sn/Cu接頭中柯肯達爾空洞形成的各種因素?？驴线_爾空洞沒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界面處形成，故柯肯達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，晶界內存儲著大量能量，其中部分能量會在界面反

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

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

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

9、余應力通過Cu3Sn層與柯肯達爾空洞聯(lián)系起來。
　　 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爾空洞的形成，但其抑制機理各異。添加Cu不會改變界面IMC層的物相和微觀組織，但其會降低界面區(qū)域Cu的濃度梯度，從而阻緩Cu的擴散，減少Cu和Sn不平衡擴散的程度。添加Zn會改變界面IMC層的物相和微觀組織，Zn含量較低（0.2和0.5wt.％）時，界面處形成Cu6(Sn,Zn)5層;含量增至0.8wt.％

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