釬料熔滴-焊盤瞬間接觸液固反應(yīng)及界面組織演變.pdf

1、凸點(diǎn)制作是高密度電子封裝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，凸點(diǎn)質(zhì)量直接影響到封裝的可靠性。釬料熔滴凸點(diǎn)制作(Molten Solder Droplet Bumping，簡稱MSDB)適應(yīng)于高密度封裝要求，有明顯的優(yōu)點(diǎn)。MSDB方法是通過釬料熔滴攜帶熱量加熱焊盤并形成冶金連接。針對MSDB的工藝研究發(fā)現(xiàn)，釬料熔滴初始溫度是形成可靠凸點(diǎn)的主要影響因素。獲得可靠的MSDB凸點(diǎn)要求釬料熔滴初始溫度必須高于一定的最低溫度。例如對0.76mmSnPb釬料熔滴在Au/Ni

2、/Cu焊盤上制作 MSDB凸點(diǎn)，熔滴初始溫度低于300℃時，釬料與焊盤的接合強(qiáng)度很低甚至沒有連接。通過有限元計算得到 MSDB瞬間接觸液固反應(yīng)時間約為30ms。與紅外或熱風(fēng)重熔相比，MSDB的液固反應(yīng)時間很短，與激光重熔更為類似。但激光重熔有典型的釬料加熱過程，而 MSDB是單純的釬料溫度下降過程，液態(tài)釬料未達(dá)到溫度平衡即完成凝固?；贛SDB方法，本文分別在Au/Ni/Cu焊盤上制作了SnPb及 SnAgCu釬料凸點(diǎn)，在Cu焊盤上制作

3、了SnPb釬料凸點(diǎn)。研究了MSDB過程中釬料熔滴與焊盤界面的瞬間接觸液固反應(yīng)。并對MSDB凸點(diǎn)/焊盤在隨后的再次重熔液固反應(yīng)及老化固態(tài)反應(yīng)條件下界面組織演化進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　采用SnPb共晶釬料與Au/Ni/Cu焊盤研究了釬料熔滴初始溫度對熔滴與焊盤瞬間接觸液固反應(yīng)的影響。隨著熔滴初始溫度的提高，釬料熔滴與焊盤反應(yīng)形成的Au-Sn化合物形態(tài)及分布不同。研究表明，同樣熔滴初始溫度參數(shù)下，預(yù)熱焊盤較未預(yù)熱焊盤的界面反應(yīng)更為強(qiáng)烈。對

4、MSDB與紅外重熔、激光重熔制作凸點(diǎn)所形成凸點(diǎn)/焊盤界面組織進(jìn)行了比較研究。建立了釬料熔滴/焊盤三維有限元傳熱模型。推算了Au在熔融 SnPb釬料中溶解速度隨釬料溫度升高的變化。進(jìn)行了SnPb釬料熔滴與Au/Ni/Cu焊盤反應(yīng)動力學(xué)研究，建立了Au焊盤在釬料熔滴中溶解過程控制方程。釬料熔滴與焊盤瞬間接觸液固反應(yīng)過程中，Au向釬料中迅速溶解。在凝固過程能夠達(dá)到飽和溶解極限而析出 Au-Sn化合物。同樣工藝規(guī)范下，與SnPb釬料相比，SnA

5、gCu釬料熔滴與An/Ni/Cu焊盤界面反應(yīng)更為迅速。對SnPb釬料熔滴在Cu焊盤上形成MSDB凸點(diǎn)，其凸點(diǎn)/焊盤界面化合物為Cu6Sn5。
　　Au/Ni/Cu焊盤上的MSDB凸點(diǎn)經(jīng)過紅外再重熔后界面處的AuSn4消失，Au層全部溶進(jìn)釬料內(nèi)部。SnPb釬料與Ni層反應(yīng)形成 Ni3Sn4界面化合物，進(jìn)入釬料基體內(nèi)部的AuSn4按分解-擴(kuò)散-析出機(jī)制向遠(yuǎn)離界面的釬料內(nèi)部分布。SnAgCu釬料與Ni層反應(yīng)形成(Cu,Ni)6Sn5化合

6、物。釬料內(nèi)部Cu元素向AuSn4化合物偏聚，進(jìn)入 AuSn4晶格位置形成(Au,Cu)Sn4化合物。對再重熔過程凸點(diǎn)/焊盤界面金屬間化合物的生長動力學(xué)進(jìn)行了分析，再重熔過程中界面化合物生長的控制機(jī)制并非唯一。
　　Au/Ni/Cu焊盤上的SnPb釬料 MSDB凸點(diǎn)直接老化的界面組織演變是基于瞬間接觸液固反應(yīng)形成的Au-Sn化合物。與Au焊盤的量相比，釬料中Sn的量更為富足，長時間老化 Au-Sn化合物有全部轉(zhuǎn)化為AuSn4的趨勢。

7、Cu焊盤上的SnPb釬料 MSDB凸點(diǎn)經(jīng)長時間老化，在Cu與Cu6Sn5間會形成 Cu3Sn。Au/Ni/Cu焊盤上的SnAgCu釬料 MSDB凸點(diǎn)直接長時間老化， Au層全部轉(zhuǎn)化為Au-Cu-Sn化合物，并且 Au-Cu-Sn化合物會從 Ni層上脫落進(jìn)入釬料中，導(dǎo)致凸點(diǎn)連接強(qiáng)度下降。建立了Au-Cu-Sn化合物從 Ni層脫落的過程模型。界面化合物的熟化導(dǎo)致的Ni層與釬料的直接接觸是SnAgCu釬料/Au/Ni/Cu焊盤界面化合物固態(tài)反

8、應(yīng)中脫落現(xiàn)象發(fā)生的主要步驟。
　　對凸點(diǎn)再重熔后老化界面組織演變的研究表明：(Au,Ni)Sn4化合物在SnPb釬料/焊盤界面的Ni3Sn4化合物層上再沉積。在無鉛釬料 SnAgCu老化過程中這種AuSn4在界面 IMC上重新沉積現(xiàn)象沒有發(fā)生。對這種老化過程中顯著不同產(chǎn)生的原因進(jìn)行了熱力學(xué)分析。凸點(diǎn)再重熔后老化條件下界面化合物厚度增長與老化時間的平方根成線性關(guān)系，遵循擴(kuò)散控制的模型。計算了不同化合物的生長速率系數(shù)。動力學(xué)分析表明