釬料熔滴-焊盤瞬間接觸液固反應(yīng)及界面組織演變.pdf

1、凸點(diǎn)制作是高密度電子封裝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，凸點(diǎn)質(zhì)量直接影響到封裝的可靠性。釬料熔滴凸點(diǎn)制作(Molten Solder Droplet Bumping，簡(jiǎn)稱MSDB)適應(yīng)于高密度封裝要求，有明顯的優(yōu)點(diǎn)。MSDB方法是通過(guò)釬料熔滴攜帶熱量加熱焊盤并形成冶金連接。針對(duì)MSDB的工藝研究發(fā)現(xiàn)，釬料熔滴初始溫度是形成可靠凸點(diǎn)的主要影響因素。獲得可靠的MSDB凸點(diǎn)要求釬料熔滴初始溫度必須高于一定的最低溫度。例如對(duì)0.76mmSnPb釬料熔滴在Au/Ni

2、/Cu焊盤上制作 MSDB凸點(diǎn)，熔滴初始溫度低于300℃時(shí)，釬料與焊盤的接合強(qiáng)度很低甚至沒(méi)有連接。通過(guò)有限元計(jì)算得到 MSDB瞬間接觸液固反應(yīng)時(shí)間約為30ms。與紅外或熱風(fēng)重熔相比，MSDB的液固反應(yīng)時(shí)間很短，與激光重熔更為類似。但激光重熔有典型的釬料加熱過(guò)程，而 MSDB是單純的釬料溫度下降過(guò)程，液態(tài)釬料未達(dá)到溫度平衡即完成凝固?；贛SDB方法，本文分別在Au/Ni/Cu焊盤上制作了SnPb及 SnAgCu釬料凸點(diǎn)，在Cu焊盤上制作

3、了SnPb釬料凸點(diǎn)。研究了MSDB過(guò)程中釬料熔滴與焊盤界面的瞬間接觸液固反應(yīng)。并對(duì)MSDB凸點(diǎn)/焊盤在隨后的再次重熔液固反應(yīng)及老化固態(tài)反應(yīng)條件下界面組織演化進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　采用SnPb共晶釬料與Au/Ni/Cu焊盤研究了釬料熔滴初始溫度對(duì)熔滴與焊盤瞬間接觸液固反應(yīng)的影響。隨著熔滴初始溫度的提高，釬料熔滴與焊盤反應(yīng)形成的Au-Sn化合物形態(tài)及分布不同。研究表明，同樣熔滴初始溫度參數(shù)下，預(yù)熱焊盤較未預(yù)熱焊盤的界面反應(yīng)更為強(qiáng)烈。對(duì)

4、MSDB與紅外重熔、激光重熔制作凸點(diǎn)所形成凸點(diǎn)/焊盤界面組織進(jìn)行了比較研究。建立了釬料熔滴/焊盤三維有限元傳熱模型。推算了Au在熔融 SnPb釬料中溶解速度隨釬料溫度升高的變化。進(jìn)行了SnPb釬料熔滴與Au/Ni/Cu焊盤反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究，建立了Au焊盤在釬料熔滴中溶解過(guò)程控制方程。釬料熔滴與焊盤瞬間接觸液固反應(yīng)過(guò)程中，Au向釬料中迅速溶解。在凝固過(guò)程能夠達(dá)到飽和溶解極限而析出 Au-Sn化合物。同樣工藝規(guī)范下，與SnPb釬料相比，SnA

5、gCu釬料熔滴與An/Ni/Cu焊盤界面反應(yīng)更為迅速。對(duì)SnPb釬料熔滴在Cu焊盤上形成MSDB凸點(diǎn)，其凸點(diǎn)/焊盤界面化合物為Cu6Sn5。
　　Au/Ni/Cu焊盤上的MSDB凸點(diǎn)經(jīng)過(guò)紅外再重熔后界面處的AuSn4消失，Au層全部溶進(jìn)釬料內(nèi)部。SnPb釬料與Ni層反應(yīng)形成 Ni3Sn4界面化合物，進(jìn)入釬料基體內(nèi)部的AuSn4按分解-擴(kuò)散-析出機(jī)制向遠(yuǎn)離界面的釬料內(nèi)部分布。SnAgCu釬料與Ni層反應(yīng)形成(Cu,Ni)6Sn5化合

6、物。釬料內(nèi)部Cu元素向AuSn4化合物偏聚，進(jìn)入 AuSn4晶格位置形成(Au,Cu)Sn4化合物。對(duì)再重熔過(guò)程凸點(diǎn)/焊盤界面金屬間化合物的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析，再重熔過(guò)程中界面化合物生長(zhǎng)的控制機(jī)制并非唯一。
　　Au/Ni/Cu焊盤上的SnPb釬料 MSDB凸點(diǎn)直接老化的界面組織演變是基于瞬間接觸液固反應(yīng)形成的Au-Sn化合物。與Au焊盤的量相比，釬料中Sn的量更為富足，長(zhǎng)時(shí)間老化 Au-Sn化合物有全部轉(zhuǎn)化為AuSn4的趨勢(shì)。

7、Cu焊盤上的SnPb釬料 MSDB凸點(diǎn)經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間老化，在Cu與Cu6Sn5間會(huì)形成 Cu3Sn。Au/Ni/Cu焊盤上的SnAgCu釬料 MSDB凸點(diǎn)直接長(zhǎng)時(shí)間老化， Au層全部轉(zhuǎn)化為Au-Cu-Sn化合物，并且 Au-Cu-Sn化合物會(huì)從 Ni層上脫落進(jìn)入釬料中，導(dǎo)致凸點(diǎn)連接強(qiáng)度下降。建立了Au-Cu-Sn化合物從 Ni層脫落的過(guò)程模型。界面化合物的熟化導(dǎo)致的Ni層與釬料的直接接觸是SnAgCu釬料/Au/Ni/Cu焊盤界面化合物固態(tài)反

8、應(yīng)中脫落現(xiàn)象發(fā)生的主要步驟。
　　對(duì)凸點(diǎn)再重熔后老化界面組織演變的研究表明：(Au,Ni)Sn4化合物在SnPb釬料/焊盤界面的Ni3Sn4化合物層上再沉積。在無(wú)鉛釬料 SnAgCu老化過(guò)程中這種AuSn4在界面 IMC上重新沉積現(xiàn)象沒(méi)有發(fā)生。對(duì)這種老化過(guò)程中顯著不同產(chǎn)生的原因進(jìn)行了熱力學(xué)分析。凸點(diǎn)再重熔后老化條件下界面化合物厚度增長(zhǎng)與老化時(shí)間的平方根成線性關(guān)系，遵循擴(kuò)散控制的模型。計(jì)算了不同化合物的生長(zhǎng)速率系數(shù)。動(dòng)力學(xué)分析表明