介觀尺度下Sn-Cu焊點(diǎn)的界面擴(kuò)散及尺寸效應(yīng).pdf

1、微電子產(chǎn)品不斷向小型化、便攜化和高性能方向發(fā)展，導(dǎo)致互聯(lián)焊點(diǎn)尺寸持續(xù)減小，其承載的力、電和熱負(fù)荷不斷增加，對(duì)焊點(diǎn)的可靠性提出了更高的要求。微電子封裝焊點(diǎn)的尺寸是介于微觀與宏觀之間的介觀尺度范圍。介觀尺度下依靠傳統(tǒng)的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和金屬學(xué)等方法獲得的性能參數(shù)均表現(xiàn)出試樣尺寸依賴性，即這些本應(yīng)為常數(shù)的參數(shù)卻隨試樣尺寸變化而變化，這給工程設(shè)計(jì)和可靠性預(yù)測(cè)帶來了不利的影響。
　　研究焊點(diǎn)可靠性，幾何尺度效應(yīng)是一個(gè)不可忽略的重要問題。有關(guān)

2、微焊點(diǎn)在力學(xué)方面的尺寸效應(yīng)已經(jīng)有了大量的研究，而對(duì)微觀組織，特別是界面元素的擴(kuò)散與界面化合物(IMC)生成與演變的尺寸效應(yīng)問題的研究較少。本研究的主要目的是揭示介觀尺度下微焊點(diǎn)在回流、時(shí)效過程中依賴尺寸的固-液、固-固界面的擴(kuò)散規(guī)律，闡明焊點(diǎn)依賴尺寸的主要參量的變化特征并進(jìn)行數(shù)學(xué)表征。
　　以Cu/solder/Cu三明治結(jié)構(gòu)的釬料層厚度為10～50μm的焊點(diǎn)為主要研究載體，以200～500μm焊球直徑的BGA結(jié)構(gòu)的焊點(diǎn)作對(duì)比，分

3、析在不同的組成及工藝條件下，釬縫的幾何尺寸與反應(yīng)生成的界面IMC層的厚度、主控元素在擴(kuò)散區(qū)的濃度分布之間的內(nèi)在關(guān)系，建立引入尺寸因子的IMC層厚度和生長(zhǎng)速度的數(shù)學(xué)模型，闡明界面IMC生長(zhǎng)演變及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的機(jī)制。
　　研究Cu/SAC305/Cu三明治結(jié)構(gòu)焊后界面固-液擴(kuò)散行為，獲得了界面結(jié)構(gòu)、IMC的生長(zhǎng)速率與釬料層厚度之間的關(guān)系。結(jié)果表明:一次回流焊后不同釬料層厚度的Cu/SAC305/Cu擴(kuò)散偶界面結(jié)構(gòu)均為Cu/Cu6Sn5/s

4、older/Cu6Sn5/Cu。釬料層厚度越大，生成的界面IMC晶粒尺寸越小、層厚度越薄。多次回流焊后，大尺寸擴(kuò)散偶釬料層中Cu元素濃度提升較低，對(duì)于界面IMC生長(zhǎng)的促進(jìn)效果也相對(duì)較弱。
　　通過對(duì)比Cu/Sn/Cu、Cu/Sn-0.5Cu/Cu、Cu/SAC305/Cu三種擴(kuò)散偶在回流焊及時(shí)效的條件下的界面結(jié)構(gòu)、IMC的生長(zhǎng)以及Cu層的消耗，研究了在幾十微米的介觀尺度下，釬料中合金元素對(duì)界面擴(kuò)散的影響，結(jié)果表明:釬料中加入0.5

5、％Cu元素能夠促進(jìn)擴(kuò)散偶界面IMC層的生長(zhǎng)，其影響效果隨釬料層厚度的減小呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì);釬料中加入3.0％Ag元素可抑制界面IMC的生長(zhǎng)，同時(shí)顯著降低Cu3Sn在IMC層中的比例，釬料層厚度越小，Cu3Sn在IMC層中的比例越小。
　　研究在Cu焊盤表面Ni阻擋層在回流焊及時(shí)效后的作用與尺寸相關(guān)性。分析由200～500μm焊球直徑的BGA結(jié)構(gòu)的Cu/SAC305和Cu/Ni/SAC305單側(cè)界面的焊點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)無論焊球尺寸大小

6、，Ni阻擋層的存在，均降低了IMC層的厚度?；亓骱负蠹?60℃時(shí)效不同的時(shí)間，均表現(xiàn)出焊球的直徑越小，界面IMC的厚度越大，這與三明治結(jié)構(gòu)的釬料層厚度為10～50μm的焊點(diǎn)的規(guī)律一致。
　　Cu/Ni/SAC305/Cu擴(kuò)散偶的Ni層與釬料界面前沿存在著Cu濃度升高的現(xiàn)象，而Cu/Ni/SAC305/Ni/Cu擴(kuò)散偶中未出現(xiàn)。由于Ni、Cu是無限固溶體，可以相互置換，Ni盤前沿Ni原子的溶入改變了釬料中Cu的溶解度極限導(dǎo)致更多的含

7、Cu化合物的形成。
　　研究Cu/Sn/Cu三明治擴(kuò)散偶固-固擴(kuò)散行為，10～50μm釬料層厚度的擴(kuò)散偶在160℃進(jìn)行不同時(shí)間的時(shí)效處理。結(jié)果表明，界面IMC的生長(zhǎng)規(guī)律不符合傳統(tǒng)的拋物線規(guī)律，受釬料層尺寸的影響。通過對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，獲得影響IMC生長(zhǎng)的尺寸因子，修正了傳統(tǒng)的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)方程，建立了基于介觀尺度的Cu/Sn/Cu擴(kuò)散偶的界面化合物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型。通過分析不同釬料層厚度的擴(kuò)散偶界面IMC在時(shí)效過程中的變化，揭示了介