Cu-Sn-Cu(Ni)結(jié)構(gòu)中金屬間化合物微焊點的組織演化及力學(xué)性能研究.pdf

1、焊料互連在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)和制造過程中起著極其重要的作用，無論是在尺寸較大的板級組裝還是微型化的3D芯片集成中都是不可或缺的一種連接方式。尤其在當(dāng)今3D芯片疊層互連中，焊點的間距和尺寸都急劇縮小，互連焊點中的Sn基焊料層在加熱焊接或服役過程中，因與焊盤金屬反應(yīng)而極易完全轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘匍g化合物（IMCs）。在所形成的全IMCs微焊點中，IMCs層作為唯一的互連介質(zhì)，其微觀組織的演變和性質(zhì)對焊點的互連可靠性起著關(guān)鍵性的作用。為此，本論文圍繞全IM

2、Cs微焊點的微觀組織演變和性能開展研究，主要內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　針對限制微焊點細小間距互連應(yīng)用的IMCs橫向生長的行為，采用依次電鍍的方法在軋制的Cu基板和Ni基板上電鍍Sn/Cu層，制備了Cu/Sn/Cu和Ni/Sn/Cu的三明治結(jié)構(gòu)，其中Sn鍍層厚度為2.5~5μm，通過觀察互連結(jié)構(gòu)在260 ℃真空條件下保溫30 mins后的形貌，發(fā)現(xiàn)Cu/Sn/Cu結(jié)構(gòu)中IMCs由兩側(cè)Cu/Sn界面相向生長，并在中心線附近相遇，最終形成上

3、下雙層結(jié)構(gòu)，并且每個IMCs層均由外層鵝卵石狀的Cu6Sn5大晶粒和內(nèi)部較細小的Cu3Sn晶粒組成。在互連高度為2.5μm的焊點中，局部Cu/IMCs界面和中間層內(nèi)部缺陷附近還出現(xiàn)了富Cu-晶須。在使用聚焦離子束（FIB）制備的Cu/Sn/Cu微柱結(jié)構(gòu)中，由于濃度梯度和化學(xué)反應(yīng)等的共同驅(qū)動，互連材料發(fā)生了由內(nèi)向外的大規(guī)模橫向遷移，導(dǎo)致焊點內(nèi)部出現(xiàn)大量空洞。而在Ni/Sn/Cu互連結(jié)構(gòu)中，由于受到Cu/Sn和Ni/Sn界面反應(yīng)速率不一致的

4、影響，IMCs的橫向生長呈現(xiàn)出不對稱性。
　　對于IMCs的縱向生長（垂直于界面的生長），通過在軋制Cu基板和電鍍Cu基板上依次電鍍Sn/Cu層，制備了Cu/Sn(2.5μm)/Cu結(jié)構(gòu)，研究和分析了焊接溫度、時間和基板類型對IMCs組織演變的影響。結(jié)果表明，焊接過程中中間層的快速凝固抑制了界面Cu6Sn5的扇貝狀生長，從而形成了完整的Cu6Sn5 IMCs微焊點。隨著焊接溫度的升高或保溫時間的延長，微焊點中Cu6Sn5層厚度不斷

5、減小，Cu3Sn層厚度不斷增加，且此轉(zhuǎn)變過程受基板類型的影響。當(dāng)焊接溫度從240 ℃提升至290 ℃時，電鍍Cu基板上Cu3Sn層的生長指數(shù)從0.48降至0.34；而軋制Cu基板上Cu3Sn層的生長指數(shù)則從0.29增至0.36。Cu3Sn層的生長速率在溫度較低時主要受限于Cu原子向中間層的擴散速率，而在較高溫度時則以Cu3Sn層的厚度為主導(dǎo)；在鄰近電
　　鍍Cu基板的Cu3Sn層內(nèi)出現(xiàn)了柯肯達爾孔洞。經(jīng)290 ℃焊接保溫15 mi

6、ns后，在電鍍 Cu基板上所形成的微焊點主要由多孔的Cu3Sn組成，但此Cu3Sn層依然具有較好的抗剪切強度。
　　對于Cu3Sn IMCs微焊點，通過采用背散射衍射技術(shù)（EBSD）技術(shù)對其組織均勻化過程進行了深入的分析。對260 oC真空條件下保溫10/30/50/70 mins后所得IMCs微焊點進行觀察發(fā)現(xiàn)：雖然晶粒較大的Cu6Sn5中間層在IMCs層的相變過程中被消耗，但大量細小的Cu6Sn5晶粒仍分布在不斷粗化的Cu3S

7、n晶粒周圍。隨著保溫時間的延長，IMCs層內(nèi) Cu6Sn5的含量不斷降低，Cu3Sn同時生長和熟化，并受Cu原子的擴散控制，趨向于形成垂直Cu/IMC界面的Cu3Sn柱狀晶。
　　對Ni/Sn(1.5μm)/Cu結(jié)構(gòu)的微觀組織演變和機理進行了研究。240 ℃焊接所得微焊點的Cu-Sn-Ni IMCs中間層由三部分組成：Cu側(cè)的富Cu區(qū)，主要成分為(Cu,Ni)3Sn，其生長指數(shù)為0.36；中間的富Sn區(qū)，主要成分為(Cu,Ni)6

8、Sn5；Ni側(cè)較薄的富Ni區(qū)。在較高的焊接溫度下，IMCs中間層各組分間的界限隨著保溫時間的增加而變得模糊。當(dāng)大部分的(Cu,Ni)6Sn5層在290 ℃條件下轉(zhuǎn)變?yōu)?Cu,Ni)3Sn時，焊點中心線附近出現(xiàn)了與Ni/IMCs界面處相似的富Ni相，其Ni含量可高達20 at.％。實驗結(jié)果表明 Cu和 Ni原子在IMCs層中的互擴散對焊點微觀組織的演變起著決定性的作用，且Ni/IMCs/Cu結(jié)構(gòu)中的界面反應(yīng)存在著明顯的交互影響。此外，采用

9、納米壓痕儀測量得到室溫下(Cu,Ni)6Sn5、(Cu,Ni)3Sn的楊氏模量和硬度值分別為160.6±3.1 GPa、7.34±0.14 GPa和183.7±4.0 GPa、7.38±0.46 GPa，均高于Cu6Sn5和Cu3Sn的相應(yīng)值；且在2000μN作用30s后Cu-Sn-Ni IMCs的蠕變量約為在3.5~5 nm。同時，還使用FIB設(shè)計并制備了適用于原位微/納壓縮和彎曲實驗的IMCs微懸臂梁。290 ℃焊接所形成的Cu-S