基板取向及焊料層厚度對界面金屬間化合物生長的影響.pdf

1、隨著集成電路集成度的不斷提高和芯片特征尺寸的不斷減小，封裝工藝不斷改進和發(fā)展，互連焊點的尺寸也隨著封裝密度的提高而不斷減少。銅柱凸點由于具有良好的凸點間距一致性、抗電遷移性、散熱等諸多顯著優(yōu)點，引起了業(yè)界人員的廣泛關(guān)注。銅柱凸點被認為可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的焊球微凸點，用于細節(jié)距高深寬比的高密度封裝技術(shù)中。
　　基板取向?qū)饘匍g化合物的形核和生長有顯著影響，不同取向的基板上形成的金屬間化合物形貌、厚度及取向各不相同。但目前關(guān)于基板取向?qū)MC

2、的影響的研究多用單晶基板，但單晶基板的制作不易、成本高昂，且實際應(yīng)用中多用多晶基板。另，隨著電子產(chǎn)品日益高集成化和高性能化，凸點的尺寸都越來越小，明確焊料層厚度(焊料體積)對界面金屬間化合物生長的影響有著深刻的意義。
　　本文采用兩種不同取向的Cu——具有明顯（200）取向的Cu基板（本文中簡寫為（200）Cu）和具有明顯（220）取向的電鍍銅層（本文中簡稱為（220）Cu）。本文利用多層電鍍法的思想，制備 Sn-3.5Ag焊料。

3、本文通過觀察和研究 Cu/Sn和Cu/Sn-3.5Ag的界面反應(yīng)、IMCs top-view形貌、cross-sectional形貌，系統(tǒng)研究了基板織構(gòu)取向?qū)u-Sn IMCs生長的影響。同時，本文研究不同厚度的Sn或Sn-3.5Ag層與Cu發(fā)生的反應(yīng)，明確焊料層厚度對于Cu-Sn IMCs生長的影響。
　　全文主要結(jié)論如下：
　?。?）不同取向的Cu基板與純Sn反應(yīng)所形成的IMC形貌有明顯差異。250℃回流10s，(20

4、0) Cu/ Sn界面反應(yīng)生成長條棱柱狀η相Cu6Sn5，晶粒根部有內(nèi)凹缺陷，相鄰晶粒的根部內(nèi)凹缺陷組成“蓮花狀”的圓坑缺陷；對于(220) Cu/ Sn界面的η相Cu6Sn5晶粒則呈帶有小平面的扇貝狀，無“蓮花狀”的圓坑缺陷出現(xiàn)。經(jīng)150℃時效，棱柱狀和扇貝狀的η相Cu6Sn5晶粒均向顆粒狀轉(zhuǎn)變，晶粒明顯長大，(200) Cu/ Sn界面生長的晶粒的平均尺寸比(220) Cu/Sn界面生長的晶粒小很多，且(200) Cu/Sn界面發(fā)現(xiàn)

5、還發(fā)現(xiàn)圓形深孔缺陷。從（200）Cu/Sn/（220）Cu界面形貌可以看出，經(jīng)相同的回流和時效處理后，(220) Cu/Sn界面形成的IMCs層比(200) Cu/Sn界面形成的IMCs層明顯厚得多，尤其是ε相Cu3Sn。(220) Cu/Sn界面的Cu-Sn IMCs的反應(yīng)常數(shù)K是(200) Cu/Sn界面的Cu-Sn IMCs反應(yīng)常數(shù)的3倍多。
　?。?）Cu/Sn-3.5Ag IMC top-view形貌與Cu/Sn體系的I

6、MC top-view形貌類似。250℃回流10s后，在Cu/ Sn-3.5Ag界面形成η相Cu6Sn5晶粒，同時還發(fā)現(xiàn)了大塊狀的Ag3Sn晶粒，納米 Ag3Sn顆粒呈環(huán)狀吸附在扇貝狀 IMC晶粒上。(200) Cu/Sn-3.5Ag和(200) Cu/Sn-3.5Ag界面的IMC晶粒根部均有內(nèi)凹缺陷，相鄰晶粒的內(nèi)凹缺陷形成“蓮花狀”缺陷。150℃時效，IMC晶粒向顆粒狀轉(zhuǎn)變，IMC晶粒尺寸隨著時效時間增加而長大，在IMCs top-v

7、iew形貌圖中發(fā)現(xiàn)了圓形深孔。經(jīng)相同的回流和時效處理后，(220) Cu/Sn-3.5Ag界面形成的IMCs層比(200) Cu/Sn-3.5Ag界面形成的IMCs層明顯厚得多，尤其是ε相Cu3Sn層。(220) Cu/Sn-3.5Ag界面的Cu-Sn總的IMCs的反應(yīng)常數(shù)K約是(200) Cu/Sn-3.5Ag界面IMCs反應(yīng)常數(shù)的3倍。
　?。?）Cu/Sn/Cu三明治結(jié)構(gòu)250℃回流10s后，上下界面均形成了扇貝狀的Cu6S

8、n5。經(jīng)150℃時效，上下界面的Cu6Sn5晶粒像扇貝狀向平面轉(zhuǎn)變，偶見大塊Cu6Sn5顆粒嵌于未反應(yīng)的純Sn層中；Cu6Sn5與電鍍銅層的界面變得更平坦、由波浪狀向平面狀演變。由于Sn層厚度不同，Cu3Sn出現(xiàn)時間不盡相同。隨著時效時間增加，Cu-Sn IMCs厚度明顯增加。Cu/5μm Sn/Cu結(jié)構(gòu)中，上界面的Cu3Sn層中出現(xiàn)大量空洞(voids)，且空洞的數(shù)量隨著時效時間的增加而增加，而Sn層厚度為40、20和10μm時，界面

9、處空洞很少甚至無空洞出現(xiàn)。
　?。?）Cu/Sn-3.5Ag/Cu體系經(jīng)250℃回流10s，Cu6Sn5與電鍍銅的界面（即上界面）呈波浪形，而Cu6Sn5與銅基板的界面（即下界面）較為平坦，上下界面的Cu6Sn5呈扇貝狀，上界面偶見大塊 Cu6Sn5。經(jīng)150℃時效，Cu6Sn5晶粒從扇貝狀向平面轉(zhuǎn)變，上下界面檢測到了Cu3Sn；Cu6Sn5與電鍍銅層的界面變得更平坦、由波浪狀向平面狀演變。經(jīng)150℃時效更長時間；Cu-Sn IM

10、Cs厚度增加明顯。納米級Ag3Sn顆粒彌散分布于焊料層中。經(jīng)回流和時效處理，在下界面發(fā)現(xiàn)有白色的物相Ag3Sn附著于Cu6Sn5晶粒。
　　回流和短時時效處理，不同厚度的焊料層與Cu反應(yīng)后，Cu-Sn IMCs的厚度無太大差異性。當時效時間增加到96小時，Sn-3.5Ag層厚度為10μm的Cu6Sn5層和總的IMCs層(Cu6Sn5+Cu3Sn)厚度明顯比其他厚度的Sn-3.5Ag層界面處的IMCs層薄，但Cu3Sn層厚度增加。在