微連接Cu-SAC305-Cu界面擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)與幾何尺寸關(guān)聯(lián)研究.pdf

1、隨著微電子器件向微型化、高性能方向發(fā)展，互連焊點(diǎn)的幾何尺寸遵循摩爾定律以每十八個(gè)月翻一番的速度由毫米級(jí)縮小到幾十微米甚至幾微米。在此細(xì)觀尺度下，焊點(diǎn)的力學(xué)性能參數(shù)和微觀組織特征均呈現(xiàn)明顯的幾何尺寸效應(yīng)，影響焊點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠性分析及壽命評(píng)估。本文通過回流焊獲得不同釬料層（擴(kuò)散區(qū)）厚度(δ=15～50μm)的Cu/SAC305/Cu三明治結(jié)構(gòu)擴(kuò)散偶，在不同溫度(120℃、140℃、160℃)下進(jìn)行高溫時(shí)效(t=0h、96h、216h、3

2、84h、600h)處理后，研究了幾何尺寸依賴的界面IMC層生長動(dòng)力學(xué)、焊盤金屬層的消耗以及近界面區(qū)擴(kuò)散元素的濃度分布，分析了擴(kuò)散區(qū)厚度對(duì)界面元素?cái)U(kuò)散行為的影響。
　　研究結(jié)果表明，在回流焊后，在Cu層/體釬料的界面處形成扇貝狀的Cu6Sn5金屬間化合物，并且隨著擴(kuò)散區(qū)厚度的降低，Cu6Sn5層的厚度和比例呈現(xiàn)升高的趨勢。在160℃高溫時(shí)效過程中，在Cu層/Cu6Sn5界面處生成一層Cu3Sn金屬間化合物。
　　擴(kuò)散區(qū)厚度對(duì)高

3、溫時(shí)效過程中界面IMC層的轉(zhuǎn)變有顯著的影響。擴(kuò)散區(qū)厚度越小，時(shí)效過程中界面處越有利于Cu3Sn層的生長，時(shí)效后Cu6Sn5層和Cu3Sn層的厚度比越小。同時(shí)，界面處Cu6Sn5與Cu3Sn的厚度比隨著時(shí)效時(shí)間的延長呈現(xiàn)先降低后緩慢升高的趨勢。隨著擴(kuò)散區(qū)厚度的降低，時(shí)效過程中Cu3Sn層、Cu6Sn5層和IMC層（Cu6Sn5層+Cu3Sn層）的生長速率都呈現(xiàn)減小的趨勢，并且這種趨勢在高溫下表現(xiàn)得更加顯著。
　　回流焊后焊盤Cu層的

4、消耗隨著擴(kuò)散區(qū)厚度的降低而變化不大。然而在時(shí)效過程中焊盤Cu層的消耗與擴(kuò)散區(qū)厚度呈正比，并且時(shí)效時(shí)間越長，這種擴(kuò)散區(qū)厚度對(duì)Cu層消耗的影響趨勢越顯著。時(shí)效過程中可擴(kuò)散區(qū)Cu和Sn的濃度差不同導(dǎo)致界面處Cu和Sn的擴(kuò)散速率的不同，造成界面IMC層的生長和Cu層的消耗隨著擴(kuò)散區(qū)厚度的變化而呈現(xiàn)變化。
　　隨著擴(kuò)散區(qū)厚度的增大，回流和時(shí)效后擴(kuò)散區(qū)中Cu的濃度呈現(xiàn)減小的趨勢，Sn的濃度呈現(xiàn)增大的趨勢。當(dāng)微焊點(diǎn)縮小到細(xì)觀尺度時(shí)，由于釬料基體

5、量的限制，Cu、Sn的擴(kuò)散會(huì)使擴(kuò)散區(qū)的組元濃度發(fā)生很大的變化，進(jìn)而又對(duì)界面元素的擴(kuò)散造成影響。隨著擴(kuò)散區(qū)厚度的增大，界面反應(yīng)后近界面區(qū)體釬料組織的硬度和抗蠕變性能降低。擴(kuò)散區(qū)的成分和組織通過界面元素?cái)U(kuò)散發(fā)生變化，擴(kuò)散區(qū)微觀力學(xué)參數(shù)的尺寸依賴進(jìn)一步證實(shí)了微焊點(diǎn)在界面反應(yīng)過程中元素?cái)U(kuò)散的幾何尺寸效應(yīng)。
　　實(shí)驗(yàn)證明，在細(xì)觀尺度下，擴(kuò)散系數(shù)D不僅由溫度和材料等因素決定，還受有限的可擴(kuò)散層厚度的影響;界面IMC層的生長激活能Q亦與焊點(diǎn)界面