共晶snagcu焊料

1、共晶共晶SnAgCuSnAgCu焊料與焊料與AlNiAlNi（V）CuCu薄膜間界面顯微組織的轉(zhuǎn)變薄膜間界面顯微組織的轉(zhuǎn)變摘要研究了兩種共晶焊料SnAgCu、SnPb與AlNi(V)Cu薄膜界面在時(shí)效過(guò)程中顯微組織轉(zhuǎn)變過(guò)程。在共晶SnPb體系中，Ni（V）層在220℃回流20次后保存完好。在SnAgCu焊料體系，在260℃回流5次后，形成（Cu，Ni）6Sn5三元化合物，且在Ni（V）層發(fā)現(xiàn)Sn。回流20次后，Ni（V）層消失，并觀察到

2、（Cu，Ni）6Sn5層開(kāi)始破碎，從而解釋了在焊球剪切測(cè)試中斷裂方式由韌性向脆性斷裂的轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。由于Cu在SnAgCu及SnPb系焊料中的溶解度不同，所以?xún)煞N焊料在熔化時(shí)的界面反應(yīng)不同?；赟nNiCu三元相圖討論了（Cu，Ni）6Sn5相的溶解及形成。此外，還研究了150℃固態(tài)時(shí)效過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，SnAgCu在時(shí)效1000小時(shí)后，Ni（V）層完好，形成的IMC為Cu6Sn5而不是（Cu，Ni）6Sn5，這與共晶SnPb系中觀察到的一樣

3、。1引言鉛對(duì)人類(lèi)的毒作用已經(jīng)被廣泛認(rèn)識(shí)。當(dāng)今，電子工業(yè)排出的大量廢棄物導(dǎo)致地下水中Pb含量過(guò)高。如今全球電子工業(yè)正在努力禁止在焊料中含鉛。焊料的無(wú)鉛化迫切要求建立無(wú)鉛焊料組織、性能、成分、設(shè)備的知識(shí)體系。倒裝芯片連接系統(tǒng)可以分為UBM層（underbumpmetallization，凸點(diǎn)下金屬化層）、焊球及鍍金基板三個(gè)部分。UBM主要起連接，阻礙焊料擴(kuò)散、反應(yīng)，潤(rùn)濕焊料及防止氧化等作用。在錫球沉淀及形成，芯片在基板上封裝形成封裝元件，以

4、及元件在電路板上組裝過(guò)程中。連接的錫球承受一系列熱處理，回流焊接成焊點(diǎn)。錫球連接的機(jī)械性能主要受焊球強(qiáng)度以及焊球與基板界面強(qiáng)度影響。雖然曾報(bào)道過(guò)很多種結(jié)構(gòu)的UBM，但是目前商業(yè)上廣泛應(yīng)用的倒裝芯片UBM薄膜主要為IBM開(kāi)發(fā)的CrCuCuAu以及Delco研發(fā)的AlNi（V）Cu兩種。UBM薄膜的重要性在于降低了鍍層周?chē)杵臍堄鄳?yīng)力，從而降低了危險(xiǎn)。這兩種UBM分別在高含Pb及SnPb共晶焊料效果良好。據(jù)報(bào)道，AlNi（V）Cu最有潛力

5、應(yīng)用于無(wú)鉛焊料。在所有無(wú)鉛焊料中，SnAgCu系列焊料由于熔點(diǎn)較高，所以受到的影響最大。由于高的回流溫度以及高的Sn含量，在回流循環(huán)過(guò)程中，無(wú)鉛焊料與UBM之間的反應(yīng)比SnPb的強(qiáng)得多。所以對(duì)應(yīng)用于無(wú)鉛焊料的UBM的需求越來(lái)越迫切。本文在相同的高溫?zé)崽幚項(xiàng)l件下對(duì)高含Sn與SnPb焊料的顯微組織轉(zhuǎn)變及IMC的形成進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比的結(jié)果將有助于理解在指定的熱處理工藝下焊接的界面強(qiáng)度以及失效方式。本研究中，將共晶SnAgCu無(wú)鉛焊料與涂了三層

6、的AlNi（V）Cu薄膜的UBM焊接在一起，然后經(jīng)過(guò)各種熱處理（如多重回流、潤(rùn)濕反應(yīng)及固相時(shí)效等），研究顯微組織轉(zhuǎn)變及界面反應(yīng)。為了進(jìn)行對(duì)比，研究了在相同熱處理下的SnPb的顯微組織轉(zhuǎn)變及界面反應(yīng)。倒裝芯片焊料在整個(gè)焊接過(guò)程中通常要經(jīng)過(guò)4次回流。在本研究中將焊料回流20次以研究界面反應(yīng)，顯微組織轉(zhuǎn)變以及焊球剪切強(qiáng)度。結(jié)果表明，雖然經(jīng)過(guò)20次回流焊接后焊料仍然保持著良好焊球剪切強(qiáng)度，但是在達(dá)到10次回流焊接時(shí)，斷裂方式從焊料內(nèi)部的韌性斷裂

7、轉(zhuǎn)變?yōu)楹噶吓cUBM界面的脆性斷裂。這種改變可以通過(guò)本文對(duì)界面反應(yīng)以及顯微組織轉(zhuǎn)變的研究結(jié)果來(lái)解釋。關(guān)于界面反應(yīng)、顯微組織轉(zhuǎn)變以及相關(guān)的剪切強(qiáng)度的基礎(chǔ)理論對(duì)于促進(jìn)研發(fā)不同無(wú)鉛焊料體系UBM有很大的幫助。2實(shí)驗(yàn)本研究中的UBM采用三層的AlNi（V）Cu薄膜結(jié)構(gòu)，如圖1所示。Ni層添加7wt%的V以降低濺射工藝過(guò)程中界面的磁性。焊接過(guò)程中充入氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛。95.5Sn3.5Ag1.0Cu以及63Sn37Pb均以貼片狀排在UBM上。然后對(duì)

8、SnAgCu及SnPb焊料試樣分別在波峰溫度為260℃及220℃進(jìn)行回流焊接以形成錫球。形成的錫球的平均直徑為120μm。對(duì)圖1所示的封裝連接進(jìn)行多重回流、潤(rùn)濕反應(yīng)或固態(tài)時(shí)效。多重回流焊接采用5區(qū)間回流爐（SS70，BTUUSA）對(duì)SnPb和SnAgCu焊料分別在260℃及220℃回流焊接20次。每次超過(guò)液相溫度的加熱時(shí)間為60秒。在潤(rùn)濕反應(yīng)中，SnAgCu試樣在260℃分別連續(xù)加熱5，10，20分鐘，熔化的焊料與固態(tài)薄膜發(fā)生反應(yīng)。然后

9、在150℃空氣中時(shí)效1000小時(shí)以促進(jìn)固固界面反應(yīng)。在經(jīng)過(guò)上述處理后，將試樣用環(huán)氧樹(shù)脂固定，用金剛石研磨膏拋光成顆粒大小為1μm。為了觀察形成的IMC的形態(tài)，一些拋光后的試樣用HCl體積分?jǐn)?shù)為2%的甲醇溶液進(jìn)行輕微腐蝕。用SEM（JSM6700F，JEOLJapan）觀察焊料、UBM的顯微仍然保持著同樣的體積。Ni（V）層在150℃時(shí)效1000小時(shí)后，仍然與Cu6Sn5連接良好。在Cu6Sn5里面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Ni表明在150℃時(shí)Ni在固態(tài)C

10、u6Sn5中擴(kuò)散非常緩慢。通過(guò)比較可以明顯的發(fā)現(xiàn)，在UBM為AlNi（V）Cu薄膜時(shí)的SnAgCu焊接接點(diǎn)的液固界面比固固界面的界面反應(yīng)要快的多。類(lèi)似的還有關(guān)于SnPb與Cu的報(bào)道。33試樣在多重回流焊接后的焊球剪切強(qiáng)度及失效方式對(duì)剛多重回流焊接過(guò)的SnAgCu試樣進(jìn)行剪切測(cè)試。剪切焊球的剪切力在20次回流焊接后均為一60g左右的常量。然而隨著回流次數(shù)的增加，失效方式則由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?。在達(dá)到10次回流焊接時(shí)，失效方式仍然發(fā)生在

11、焊料內(nèi)部的韌性斷裂，如圖11（a）所示。只有當(dāng)回流焊接次數(shù)為10次以后才觀察到脆性斷裂。圖11（b）為脆性裂紋在UBM外部的焊料與Al層界面形成，然后通過(guò)脆性（Cu，Ni）6Sn5區(qū)域擴(kuò)展。34共晶SnAgCu與共晶SnPb焊料的比較為了將SnAgCu與SnPb進(jìn)行比較，同時(shí)對(duì)UBM為AlNi（V）Cu薄膜的SnPb經(jīng)過(guò)220℃多重回流焊接后的焊點(diǎn)進(jìn)行了研究。共晶SnPb體系中，在一次回流焊接時(shí)，形成扇貝狀的Cu6Sn5，在界面同時(shí)還看

12、到了Cu3Sn，但是仍然存在殘留的Cu層。然而，UBM中的Ni（V）層在220℃回流20次后仍然保存完好，這與先前別人研究公布的結(jié)果一致。通常認(rèn)為Cu6Sn5在Ni（V）層的表面能較低，因此不會(huì)碎裂，并且很好地阻礙了焊料與Ni（V）之間的擴(kuò)散。因此，盡管在SEM圖中兩個(gè)扇貝狀Cu6Sn5顆粒之間看到很少的一些白斑（Sn），Ni（V）一直受到保護(hù)，如圖12所示。從上面的結(jié)果可以看出，SnAgCu體系與SnPb體系的界面反應(yīng)明顯不同。對(duì)于S

13、nPb體系而言，Ni（V）層在回流20次后仍然完好，但是對(duì)于SnAgCu體系，在回流焊接20次后，Ni幾乎已經(jīng)消耗完。我們將在下一部分給出兩者之間界面反應(yīng)不同的原因。4討論目前，AlNi（V）Cu與CrCuCuAu為廣泛應(yīng)用于商業(yè)化的兩種UBM薄膜。后者具有CrCu結(jié)構(gòu)，最初應(yīng)用于IBM巨型計(jì)算機(jī)，后來(lái)長(zhǎng)期應(yīng)用于含Pb量高的倒裝芯片焊接接點(diǎn)。當(dāng)測(cè)試共晶SnPb焊料焊接在環(huán)氧樹(shù)脂基為基板的倒裝芯片技術(shù)或印刷電路板直接芯片配件技術(shù)時(shí)，此UB

14、M薄膜會(huì)發(fā)生Cu6Sn5破碎的問(wèn)題。而研究發(fā)現(xiàn)共晶SnPb用AlNi（V）CuUBM薄膜則穩(wěn)定的多。隨著無(wú)鉛日程的臨近，迫切需要了解界面強(qiáng)度及相應(yīng)的Sn基無(wú)鉛焊料與UBM薄膜的顯微組織。41熔化共晶SnAgCu焊料時(shí)Cu及Ni（V）層的分解熔化的焊料與薄膜導(dǎo)體的界面反應(yīng)的不同是由于Cu在熔融相的焊料中的溶解度不同引起的。用參考文獻(xiàn)中的1519的熱力學(xué)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算Cu在SnPb及SnAg焊料的溶解度。根據(jù)圖13所示的熱力學(xué)計(jì)算相圖，Cu在2

15、20℃熔融共晶SnPb的飽和溶解度大概為0.18wt%如圖13（a）所示。而在260℃熔融共晶SnAgCu的飽和溶解度為1.54wt%，如圖13（b）。本課題所用的共晶SnAgCu焊球?yàn)闄E圓形，用顯微鏡測(cè)得該橢圓高95μm，最大直徑120μm。參考文獻(xiàn)11中展現(xiàn)了類(lèi)似的UBM為AlNi（V）Cu為UBM的共晶SnPb焊球圖以及此UBM的TEM剖面圖。如果所有的Cu層都溶進(jìn)焊球，則熔融焊料中Cu含量估計(jì)為1.33wt%這個(gè)含量比260℃的

16、飽和溶解度低。因此熔融錫球能夠完全溶解Cu層，而迫使Ni（V）層暴露在高含Sn的焊料中。本實(shí)驗(yàn)表明，在一次回流焊接過(guò)程中，Cu層已經(jīng)被完全反應(yīng)掉，從而證明了這一點(diǎn)。在一次回流焊接的冷卻過(guò)程中，由于界面能小，Ni（V）表面的Cu6Sn5為顆粒狀。在后來(lái)的回流焊接過(guò)程中，這些扇貝狀Cu6Sn5將被溶解，從而熔融的焊料可以直接與Ni（V）層接觸，再次發(fā)生反應(yīng)。根據(jù)IMC的溶解度推測(cè)，在回流焊接過(guò)程中，那些大的IMC可能不會(huì)完全溶解掉，從而保護(hù)

17、了下面的Ni（V）層?；亓鞔螖?shù)越多，溶解進(jìn)焊料的Ni也越多。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)Ni顆粒與Cu在界面形成IMC相為（Cu，Ni）6Sn5時(shí)，IMC的體積及其中Ni的成分均開(kāi)始增加。三元化合物（Cu，Ni）6Sn5將在下一部分進(jìn)行討論。被熔融焊料溶解的Ni（V）是不規(guī)則的且起源于Ni（V）表面高能量處，從而我們看到Ni（V）片被溶解，且被熔融焊料取代。當(dāng)回流焊接完后，在凝固過(guò)程中，Cu6Sn5或（Cu，Ni）6Sn5顆粒覆蓋在Ni（V）斑點(diǎn)上。斑