微焊點(diǎn)的幾何尺寸與界面元素?cái)U(kuò)散行為的研究.pdf

1、微電子器件不斷朝著更高密度方向發(fā)展，這驅(qū)使著焊點(diǎn)幾何尺寸由毫米級(jí)縮小到幾十微米。在此細(xì)觀尺度范圍，焊點(diǎn)的微觀組織結(jié)構(gòu)、金屬間化合物的演變及界面元素?cái)U(kuò)散行為均呈現(xiàn)明顯的尺寸效應(yīng)，這必將對(duì)微焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠性分析及壽命評(píng)估產(chǎn)生重要影響。本文以Sn-0.5Cu/Cu、Sn-1.0Cu/Cu、Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu三種不同成分、不同尺寸的連接結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，在160℃進(jìn)行高溫時(shí)效(0h、96h、216h、384h、600h)試驗(yàn)后

2、對(duì)比分析了焊點(diǎn)幾何尺寸（即體釬料與Cu層之間的擴(kuò)散距離）對(duì)界面結(jié)構(gòu)、體釬料和Cu層消耗量以及近界面釬料中元素?cái)U(kuò)散行為的影響。
　　研究結(jié)果表明，Sn-0.5Cu/Cu、Sn-1.0Cu/Cu、Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu三種不同成分、不同尺寸的連接界面，經(jīng)高溫時(shí)效后界面IMC的生長(zhǎng)均發(fā)生了明顯的幾何尺寸效應(yīng)。不同尺寸的體釬料，經(jīng)高溫時(shí)效后，形成的化合物結(jié)構(gòu)不同。楔形試樣的尖端區(qū)域體釬料全部耗盡，轉(zhuǎn)變成了較規(guī)則的楔形化合物(C

3、u3Sn、Cu6Sn5)，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，楔形化合物區(qū)不斷擴(kuò)大。隨著體釬料擴(kuò)散距離（幾何尺寸）的增大，界面由Cu、Cu3Sn組成轉(zhuǎn)變?yōu)镃u、Cu3Sn、Cu6Sn5組成或Cu、Cu3Sn、Cu6Sn5和釬料組成的結(jié)構(gòu)。定義當(dāng)楔形試樣的尖端區(qū)域釬料消耗盡時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)生成楔形化合物的厚度為界面IMC的生長(zhǎng)速率，消耗的Cu的厚度為Cu層的消耗速率。體釬料擴(kuò)散距離對(duì)連接界面IMC生長(zhǎng)速率影響顯著。在時(shí)效過(guò)程中，隨著體釬料擴(kuò)散距離的增大，S

4、n-0.5Cu/Cu和Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu連接界面IMC的生長(zhǎng)速率都不斷減小，而Sn-1.0Cu/Cu連接界面化合物的生長(zhǎng)速率先增大后減小。隨著體釬料擴(kuò)散距離的增大，三種不同成分的連接界面楔形Cu3Sn層的生長(zhǎng)速率都在不斷減小，Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu連接界面Cu3Sn層厚度最小。
　　分別對(duì)Sn-0.5Cu/Cu、Sn-1.0Cu/Cu、Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu三種材料進(jìn)行試驗(yàn)，大量試驗(yàn)表明:高

5、溫時(shí)效后，體釬料擴(kuò)散距離對(duì)焊點(diǎn)體釬料層和Cu層消耗的速率影響顯著。體釬料擴(kuò)散距離越大，楔形試樣尖端區(qū)釬料層和Cu層消耗速率越小。
　　Sn-0.5Cu/Cu連接界面在160℃時(shí)效600h后，微焊點(diǎn)界面近區(qū)釬料一側(cè)Cu的濃度隨著擴(kuò)散距離的減小而增加;Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu在時(shí)效過(guò)程中，微焊點(diǎn)界面處化合物生長(zhǎng)受元素?cái)U(kuò)散控制。在微焊點(diǎn)界面近區(qū)釬料一側(cè)Sn的濃度隨著擴(kuò)散距離的減小而減少。
　　在長(zhǎng)期固態(tài)擴(kuò)散過(guò)程中，隨著焊