吳 娜，李孝軒，胡永芳

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

電子封裝中Au80Sn20焊料與鍍層之間的相互作用及組織演變*

吳 娜，李孝軒，胡永芳

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

電子元器件常通過鍍層提高可焊性，主要包括Au、Ni、Cu、Au/Ni(Ti)、Au/Pt/Ti、Au/TiW等。Au80Sn20焊料是電子封裝中的常用材料，文中總結(jié)了AuSn焊料與鍍層之間的相互作用及組織演變。潤濕性主要取決于AuSn焊料表面的氧化以及鍍層在AuSn焊料中的溶解速度，Cu、Pt的原子結(jié)構(gòu)與Au相似，以置換原子的形式溶解在AuSn焊料中，Ti與AuSn焊料之間的潤濕性較差。AuSn焊料與鍍層發(fā)生界面反應生成(Ni, Au)3Sn2、ζ-(Au, Cu)5Sn、Au5Sn、Ni3Sn4等金屬間化合物(IMC)，IMC的形成和組織演變與焊點結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)、服役條件等因素有關(guān)。

Au80Sn20；鍍層；界面反應；金屬間化合物

引 言

鉛錫合金因其低廉的成本、良好的導電性和力學性能、優(yōu)良的可焊性，一直是微電子封裝中常用的釬焊材料。但鉛是危害人類健康、污染環(huán)境的有毒有害物質(zhì)，長期廣泛地使用含鉛釬料帶來的危害不容忽視。隨著微電子封裝的迅速發(fā)展，焊點越來越小，而所需承載的電學和熱力學負荷越來越大，對釬焊的性能要求也不斷提高。傳統(tǒng)的鉛錫焊料由于抗蠕變性能差，導致焊點過早失效，已不能滿足電子工業(yè)對可靠性的要求[1]。Au80Sn20焊料作為一種無鉛焊料，具有良好的潤濕性和流動性而且適用于無釬劑釬焊，可避免對元器件的污染[2]。AuSn焊料的接頭強度大、熱導率高、耐腐蝕，是一種廣泛應用于微電子器件、光電子器件封裝的高可靠性釬料[3]，在芯片焊接[4-5]、氣密封裝[6]、倒裝焊[7-8]和光纖饋通聯(lián)接[9-10]等方面的應用越來越多。

電子元器件常通過鍍層提高可焊性，熔融焊料與鍍層之間發(fā)生兩個方面的相互作用[11]：一個是鍍層金屬溶解到熔融焊料中去；另一個是焊料與鍍層金屬結(jié)合，在界面處形成金屬間化合物(IMC)。AuSn焊料與鍍層的連接是通過在界面上形成IMC來實現(xiàn)的，但是IMC通常具有硬而脆的特點，形成過多的IMC對焊點性能不利。在服役過程中焊點因熱效應引起IMC長大，降低焊點的性能，使焊點可靠性下降。

本文介紹了AuSn焊料與不同鍍層之間的相互作用以及時效過程中界面IMC的組織演變，對AuSn焊料的工程應用、工藝優(yōu)化以及保證接頭可靠性具有重要意義。

1 Au80Sn20焊料的性質(zhì)

Au80Sn20合金焊料為共晶成分：80%Au和20%Sn(質(zhì)量分數(shù))，共晶溫度為280 ℃。根據(jù)Au-Sn相圖[10]，溫度高于280 ℃時，AuSn焊料迅速熔化。隨著溫度下降至280 ℃發(fā)生共晶反應：L→δ-AuSn+ζ，形成δ-AuSn相和不穩(wěn)定的ζ相，ζ相的Sn含量為9.1 at.%～17.6 at.%。溫度繼續(xù)下降至190 ℃時，發(fā)生包析反應：ζ+δ→ζ′-Au5Sn。室溫下Au80Sn20釬料由δ-AuSn和ζ′-Au5Sn兩種脆性相組成[2]，如圖1所示。因此，Au80Sn20焊料具有很大的脆性，很難用常規(guī)手段加工制備成型。目前常用的金錫焊料制備方法主要有：金錫疊層法、熔鑄法、電鍍沉積法等。

圖1 室溫下AuSn焊料的顯微組織

2 潤濕

釬焊過程中鍍層金屬溶解到熔融AuSn焊料中，二者之間的互溶度是影響潤濕性的關(guān)鍵。Au元素容易溶解在AuSn焊料中，焊料的熔點對Au含量比較敏感，質(zhì)量分數(shù)增加1%將引起熔點升高30 ℃[10]。

文獻[7]研究了無助焊劑條件下AuSn焊球與Au箔之間的潤濕反應過程。研究發(fā)現(xiàn)：開始時，焊球表面的氧化膜阻礙熔融AuSn焊料與Au箔發(fā)生反應。AuSn焊球表面的SnO轉(zhuǎn)變成SnO2，SnO2氧化膜使焊料能夠保持球形。在AuSn焊料與Au箔的界面處，Au元素溶入Sn的氧化膜中使氧化膜破碎，新鮮的AuSn焊料開始鋪展并潤濕Au箔表面形成潤濕前沿(wetting front，圖2白色區(qū)域)。隨著回流溫度升高和回流時間延長，潤濕前沿的氧化膜厚度增加。AuSn焊球表面氧化膜厚度與回流溫度和回流時間的關(guān)系見圖3。

圖2 AuSn焊球與Au箔之間的潤濕界面

圖3 AuSn焊球表面氧化膜厚度與回流溫度和回流時間的關(guān)系

在回流焊過程中，Au箔在AuSn/Au界面處發(fā)生溶解，Au在AuSn焊料中的溶解激活能為41.7 kJ/mol；Au5Sn是界面處的主要IMC，在360 ℃～440 ℃，生長激活能為54.3 kJ/mol。390 ℃時，AuSn焊球表現(xiàn)出最好的潤濕性，潤濕角為25°，潤濕動力學取決于熔融AuSn焊球表面的氧化和Au的溶解速率。300 ℃～390 ℃時，潤濕性主要取決于Au的溶解速率，隨著溫度升高而增加；390 ℃以上時，AuSn焊料表面的氧化速率超過Au的溶解速率，潤濕性逐漸下降，440 ℃出現(xiàn)不潤濕現(xiàn)象(見圖4)。

圖4 不同回流溫度和時間下的AuSn焊球形貌

3 界面反應

Cu、Ni、Ti、Au等是電子封裝中常用的鍍層材料，AuSn釬料與鍍層之間的界面反應可按照鍍層結(jié)構(gòu)不同分為以下幾類：AuSn釬料與Ni的界面反應、AuSn釬料與Cu的界面反應、AuSn釬料與Au/Ni(Ti)的界面反應、AuSn釬料與Au/Pt/Ti的界面反應、AuSn釬料與Au/TiW的界面反應。

(1)AuSn/Ni

中南大學[11]采用疊層冷軋技術(shù)將純度為99.999%的Au片和純度為99.99%的Sn片，按Au/Sn/Au/Sn/Au/Sn/Au的次序7層疊合，經(jīng)過650 MPa × 300 s鉚壓、多道次軋制、245 ℃ × 14 h合金化退火后得到箔狀Au80Sn20釬料，厚度為50 μm。AuSn焊片的顯微組織均勻，如圖5所示，由δ-AuSn和ζ-Au5Sn相交替層疊而成。采用軋制AuSn焊料將Ni片與鍍Ni的Cu片進行搭接，在真空條件下300 ℃保溫90 s后水冷。由于Au與Ni的物理、化學性質(zhì)及晶體結(jié)構(gòu)相似，Ni與AuSn焊料發(fā)生反應，釬焊后AuSn焊料的層狀組織消失(見圖6)，焊點組織主要由層狀ζ-Au5Sn+δ-AuSn共晶組織、粗化的(Au, Ni)5Sn、(Au, Ni)Sn和針狀(Ni, Au)3Sn2相組成。接頭的剪切斷裂發(fā)生在焊點內(nèi)部，AuSn/Ni界面結(jié)合良好。

圖5 AuSn焊料的顯微組織

圖6 焊點的顯微組織

對焊點在150 ℃、200 ℃下進行老化退火150～1 000 h，老化過程中Ni往焊料中擴散充當了一定的Au含量，使焊料成分偏離了共晶成分而進入ζ相區(qū)，共晶組織消失。老化后焊點的顯微組織如圖7所示，焊點中形成粗大的(Au, Ni)Sn和ζ(Ni)，在AuSn/Ni界面處形成由(Au, Ni)Sn和(Ni, Au)3Sn2組成的IMC復合層。150 ℃下老化退火時，焊點的顯微組織及界面處IMC層厚度變化不明顯；但200 ℃下退火時，隨著老化時間延長，(Ni, Au)3Sn2相在界面處聚集長大(如圖7所示)，焊點的剪切強度從47 MPa降至36 MPa，斷口呈沿晶脆性斷裂。從焊點力學可靠性方面考慮，AuSn/Ni焊點不宜在200 ℃及以上溫度長時間服役。

圖7 老化后焊點的顯微組織(200 ℃ × 1 000 h)

(2)AuSn/Cu

Cu是電子封裝中常用的表面金屬化層和連接焊盤，在330 ℃條件下將Au80Sn20釬料在Cu基體上進行回流焊，文獻[12]研究了回流時間、冷卻速度對焊點及界面組織結(jié)構(gòu)的影響。焊點由δ-(Au, Cu)Sn+ζ-(Au, Cu)5Sn共晶組織組成，由于Cu原子與Au原子的結(jié)構(gòu)相似，Cu溶解至AuSn焊料中，置換δ和ζ相晶格中的Au原子；隨著回流時間延長，共晶組織粗化，如圖8所示。在AuSn釬料與Cu界面上形成較薄的AuCu層和柱狀ζ-(Au, Cu)5Sn層，隨著回流時間延長，ζ-(Au, Cu)5Sn相由柱狀變成樹枝狀。采用隨爐冷卻、風冷、冰冷3種冷卻方式，隨著冷卻速度增加，焊點組織細化，界面上的ζ-(Au, Cu)5Sn層變薄，由樹枝晶變?yōu)槎唐降闹鶢罹А?/p>

圖8 不同回流時間下Au80Sn20/Cu焊點的顯微組織

(3)AuSn/Au/Ni(Ti)

文獻[9]采用AuSn焊料對Si片和SiO2單模光纖進行激光軟釬焊，Si片表面鍍層為0.2 μm Ti層和2.5 μm Au層；SiO2單模光纖的表面鍍層為2.5 μm Ni層和0.2 μm Au層，整個接頭結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 Si片/SiO2單模光纖接頭的顯微組織

在AuSn焊料/Si片界面處，Si片鍍層中的Au向界面處液態(tài)釬料溶解并向釬料內(nèi)部擴散，使界面附近釬料的成分偏離共晶點，快速冷卻過程中界面上形成棒狀Au5Sn相。在AuSn焊料/光纖鍍層界面處，0.2 μm的Au已全部溶解到釬料里，形成了少量的ζ′-Au5Sn。在釬焊溫度下有少量的Ni溶解到釬料中與Sn反應生成Ni3Sn4，呈半球狀或短棒狀，并為先前生成的ζ′相所包圍。隨著加熱激光功率由18 W增加到20 W，Si片表面未溶解Au層的厚度由2 μm減少至1 μm。

由于較低的熱膨脹系數(shù)，Kovar合金在電子行業(yè)中被廣泛用作封裝和基板材料。文獻[6]研究了經(jīng)過180 ℃、250 ℃時效24～1 000 h后Au/Sn/Au/Au/Ni/Kovar接頭的界面反應和顯微組織演變。Kovar合金表面Ni和Au金屬化層的厚度分別為0.3μm和1 μm，將Au/Sn/Au依次電鍍在Kovar金屬化層表面，厚度為3.5 μm/3 μm/3.5 μm。Au-Sn之間形成快速擴散體系，電鍍后、未時效前Au-Sn之間發(fā)生反應形成AuSn、AuSn2、AuSn4，見圖10。經(jīng)過180 ℃時效后Au/Sn/Au完全轉(zhuǎn)化為δ-AuSn和ζ-Au5Sn，ζ相與Kovar之間形成(Ni, Au)3Sn2IMC界面，見圖11(a)，并且隨著時效時間延長界面厚度增加。時效溫度為250 ℃時，時效24 h后界面間的固相反應更加劇烈，Ni層與δ相發(fā)生反應形成(Au, Ni)Sn IMC層；時效48 h后(Au, Ni)Sn IMC層下面形成Fe-Co-Ni-Au-Sn相。隨著時效時間延長，Ni層完全參加反應后在界面處出現(xiàn)裂紋，如圖11(b)所示。因此，為了保證Au/Sn/Au/Au/Ni/Kovar接頭的高溫穩(wěn)定性，需要增加Ni層厚度。

圖10 Au/Sn/Au/Au/Ni/Kovar接頭的顯微組織

圖11 時效1 000 h后Au/Sn/Au/Au/Ni/Kovar接頭的顯微組織

(4)AuSn/Au/Pt/Ti

文獻[10]在InP基體上進行金屬化，鍍層結(jié)構(gòu)為25 nm Ti/25 nm Pt/250 nm Au。采用共蒸發(fā)法使AuSn焊料沉積在鍍層表面，其中Au采用電子束蒸發(fā)，Sn采用熱蒸發(fā)。

在回流焊過程中，還未達到共晶溫度時AuSn焊料與鍍層發(fā)生反應，金屬鍍層中的Au、Pt溶解在焊料中，Au與Sn發(fā)生反應形成AuSn，Pt以置換原子的形式溶解在AuSn焊料中。Ti與焊料之間形成約50 nm的界面，主要由Au和少量Ti、Sn組成。通過電子衍射分析確定界面為Au4Ti。Au與Ti之間的反應較弱，Ti起擴散阻擋層的作用，防止焊料中的Au向半導體器件中擴散。由于焊縫金屬凝固收縮，界面中出現(xiàn)直徑<1 μm的均勻分布的小孔。試驗結(jié)果表明，AuSn焊料與Pt之間的潤濕性較好，但與Ti之間的潤濕性較差。

(5)AuSn/Au/TiW

Au/Sn凸點由于其優(yōu)良的性能并且不需要助焊劑，在光電子器件中廣泛應用。文獻[8]采用Au/Sn凸點將模擬Si芯片與Si基板進行倒裝焊，對Au/Sn凸點的穩(wěn)定性進行研究。Au/Sn凸點是由Au球上沉積5 μm的Sn層進行時效制備而成的，Au球上面的Sn層完全轉(zhuǎn)化成AuSn和Au5Sn IMC，如圖12所示，Au/Sn凸點直徑分別為20 μm、40 μm、60 μm，間距均為200 μm。對Si基板表面進行金屬化，TiW UBM(凸點下金屬化)上有3 μm厚的Au層。對Au/Sn凸點在215 ℃～330 ℃(40s)下進行多次回流，回流1次后發(fā)現(xiàn)基板表面3μm的金屬化層已完全溶解在共晶凸點中。直徑60 μm的凸點在回流3次后出現(xiàn)“反潤濕”現(xiàn)象，見圖13。直徑60 μm的凸點由中間的Au-Sn共晶組織和兩側(cè)的ζ相組成，隨著回流次數(shù)增加，ζ相的生長需要更多的Sn原子，Au-Sn共晶的生長滯后于ζ相，兩相非平衡生長導致“反潤濕”。直徑為20 μm和40 μm時(圖14)，凸點由Au、ζ相和一側(cè)少量Au-Sn共晶組成，沒有出現(xiàn)“反潤濕”現(xiàn)象。

圖12 Au/Sn凸點的顯微組織

圖13 Au/Sn凸點與金屬化層之間的“反潤濕”現(xiàn)象

圖14 直徑20 μm凸點倒裝焊顯微組織

4結(jié)束語

AuSn焊料與鍍層之間的相互作用包括潤濕和界面反應兩個方面，潤濕性取決于熔融AuSn焊料表面的氧化和鍍層表面Au、Ni或Cu的溶解速率，焊料與鍍層之間的結(jié)合主要通過發(fā)生界面反應形成Au-Sn、Ni-Sn 金屬間化合物來實現(xiàn)。Cu、Pt的原子結(jié)構(gòu)與Au相似，以置換原子的形式溶解在金屬間化合物中。鍍層結(jié)構(gòu)、焊盤尺寸、回流次數(shù)、時效時間和時效溫度等與金屬間化合物的形成和老化有關(guān)，是電子封裝中工藝流程及結(jié)構(gòu)設計、使用壽命評估需要考慮的重要因素。

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吳 娜(1987-)，女，博士，工程師，主要從事微組裝工藝技術(shù)研究。

InterfacialInteractionsandMicrostructureEvolutionbetweenAu80Sn20SolderandMetallizationFilminElectronicPackaging

WUNa，LIXiao-xuan，HUYong-fang

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Metallization films have been widely used to improve the solderability of electronic components. Types of metallization films are mainly Au, Ni, Cu, Au/Ni(Ti), Au/Pt/Ti, Au/TiW and so on. Au80Sn20 solder is commonly used in electronic packaging. Interfacial interactions and microstructure evolution between AuSn solder and metallization films are summarized in this paper. Wettability mainly depends on the oxidation of the surface of AuSn solder and the dissolution speed of metallization films in molten AuSn solder. Cu and Pt dissolve in AuSn solder in the form of substitutional atom due to their atomic structures are similar to Au. The wettability between Ti and AuSn solder is poor. Interfacial reaction occurs between AuSn solder and metallization films with the formation of intermetallic compound(IMC) including (Ni, Au)3Sn2,ζ-(Au, Cu)5Sn, Au5Sn, Ni3Sn4and so on. The formation and microstructure evolution of IMC are related to factors such as solder joint structure, technological parameters and working condition.

Au80Sn20; metallization layer; interfacial reaction; intermetallic compound(IMC)

2015-05-25

TG42

：A

：1008-5300(2015)04-0032-05