劉洋++張洪林++夏鵬++郭龍軍++孔祥瑞++王思雨

摘要：為了研究微焊點(diǎn)界面金屬間化合物的演變行為，以Sn-Ag-Cu（ SAC）及Sn-Ag-Cu-Bi-Ni（SAC-BiNi）微焊點(diǎn)為研究對象，研究界面金屬間化合物在不同工藝參數(shù)回流焊過程中的演變行為，借助SEM及深腐蝕技術(shù)，系統(tǒng)分析了回流時(shí)間、回流溫度及冷卻速率對界面金屬間化合物形貌及晶粒尺寸的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：回流溫度對界面金屬間化合物形貌及演變行為存在顯著影響.在較高的回流溫度下，界面金屬間化合物呈楞面狀.在釬料處于液態(tài)狀態(tài)下，界面金屬間化合物生長迅速，回流冷卻速率對焊點(diǎn)體釬料微觀組織影響顯著但對界面金屬間化合物影響較小.

關(guān)鍵詞：金屬間化合物；低銀釬料；形貌；演變；回流焊

DOI：10.15938/j.jhust.2015.05.013

中圖分類號：TG425.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-2683（2015）05-0065-04

0 引言

隨著微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，高密集度封裝成為近幾十年的主流趨勢，作為提供電氣互連和機(jī)械支撐的釬焊接頭尺寸不斷減小.出于幾何尺寸及界面金屬間化合物（IMC）的脆性考慮，焊點(diǎn)中體釬料和基板之間的連接界面被認(rèn)為是其最薄弱的部分.金屬間化合物粗化和形態(tài)變化可導(dǎo)致釬焊接頭性能及電子產(chǎn)品可靠性降低.因此，金屬間化合物形貌及生長行為已經(jīng)成為該領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向.

影響金屬間化合物的因素較多，如釬料與基板的成分、添加元素、釬焊溫度、焊點(diǎn)尺寸等.由于界面金屬間化合物對釬焊接頭可靠性影響顯著，對金屬間化合物生長行為進(jìn)行系統(tǒng)性研究十分必要，出于對可靠性和成本考慮，本項(xiàng)目組開發(fā)了一種低銀SnAgCu-Bi-Ni（SAC0705 BiNi）釬料.基于我們前期研究，在合金中添加Ni元素對釬焊接頭界面金屬間化合物有重要影響.本文研究了SAC和SAC0705 BiNi釬焊接頭界面金屬間化合物在不同回流溫度、時(shí)間和冷卻條件下的演變.

1 實(shí)驗(yàn)

研究中使用的釬料合金為Sn-0.7 Ag-0.5 Cu（SAC0705），SAC305以及低銀SAC0705 BiNi.通過加熱重熔的方式將釬料合金制備成直徑為760μm的焊球.選用純Cu為表面鍍層的基板，并經(jīng)過丙酮和乙醇清洗.

為研究回流溫度對界面金屬間化合物的影響，試樣分別在250℃、270℃和300℃的恒溫爐中回流3分鐘，并在室溫下冷卻.為研究回流溫度對金屬間化合物的影響，利用熱風(fēng)返修工作臺將試樣在250℃下進(jìn)行焊接.焊球在基板上潤濕后持續(xù)保溫5s、50s和120s.為研究冷卻速率對金屬間化合物的影響，試樣在焊后分別與室溫及冰水混合物中冷卻，利用深腐蝕技術(shù)獲取界面金屬間化合物的三維表面，借助掃描電子顯微鏡（FEI Quanta 200）對其形貌及組織進(jìn)行表征.

2 結(jié)果討論

2.1 回流焊溫度對金屬間化合物形貌的影響

圖1所示為不同回流溫度下形成的金屬間化合物形貌.當(dāng)回流溫度為250℃時(shí)，SAC0705/Cu和SAC305/Cu回流焊接頭金屬間化合物呈塊狀，其平均直徑約為8μm.前期研究表明該金屬間化合物成分為Cu₆Sn₅.SAC0705 BiNi/Cu回流焊接頭界面微觀組織如圖lb所示，其金屬間化合物為平均晶粒尺寸3～4μm的小顆粒狀（Cu，Ni）₆Sn₅.通過對比觀察，（Cu，Ni）₆Sn₅顆粒尺寸遠(yuǎn)小于其他兩種類型回流焊接頭中Cu₆Sn₅，

隨回流溫度增加，金屬間化合物形貌發(fā)生了顯著轉(zhuǎn)變，如圖1 （g）、（h）及（e）所示，300℃條件下3種回流焊接頭界面金屬間化合物形貌由塊狀轉(zhuǎn)變?yōu)槔忝鏍?，并在回流焊界面出現(xiàn)棒狀金屬間化合物.可見，隨同流焊溫度增加，Cu₆Sn₅和（Cu，Ni）₆Sn₅金屬間化合物傾向形成楞面狀形貌.由于界面金屬間化合物表面能隨回流溫度升高而提升，金屬間化合物晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)槔愣鵂羁山档腕w系表面能，從能量的角度分析該轉(zhuǎn)變可閂發(fā)進(jìn)行，此外，回流焊過程中基板Cu原子擴(kuò)散至體釬料，環(huán)境溫度升高導(dǎo)致界面元素?cái)U(kuò)散速率增加.體釬料巾Cu含量提升為界面金屬間化合物提供大量Cu原子，從而提升其生長速率.

2.2 回流時(shí)間對金屬間化合物形貌的影響

圖2（a），（d），（g）所示為3種回流焊接頭界面金屬間化合物的初始形貌.可見回流焊5s時(shí)3種焊點(diǎn)界面金屬問化合物均為納米尺度微粒，隨回流時(shí)間增K，界而金屬間化合物尺寸快速增長，由于（Cu，Ni）₆Sn₅相比Cu₆Sn₅擁有較多的形核質(zhì)點(diǎn)，其在同流過程中晶粒尺寸增長相對緩慢并呈現(xiàn)與Cu₆Sn₅不同的生長模式.

為了對金屬間化合物在回流焊過程中的演變行為進(jìn)行更直觀的研究，將SAC0705焊球在250℃下鋪展后保溫50s.通過Cu基板傾斜使熔融釬料流動并保溫10s，獲得如圖3所示的微焊點(diǎn)界面微觀組織形貌.即在同一視野下對兩層金屬間化合物進(jìn)行對比分析.如圖所示，金屬間化合物層l同流焊時(shí)問約為10s，金屬間化合物層2約為60s.可見Cu₆Sn₅金屬間化合物品粒在回流過程中生長迅速，分析認(rèn)為固液界面具有較高的擴(kuò)散速率，而界而元素?cái)U(kuò)散為金屬間化合物的主要演變機(jī)制，所以，高溫下的液固界面反應(yīng)對界面金屬間化合物的快速牛長影響顯著.由于界面金屬間化合物為脆性組織，處于可靠性考慮，應(yīng)通過工藝優(yōu)化控制回流時(shí)間以抑制金屬間化合物過度生長.

2.3 冷卻速率對金屬間化合物形貌的影響

為了對比不同冷卻條件下的金屬問化合物形貌，將SAC0705焊球在250℃下回流20s，分別于室溫及冰水混合物中冷卻.由圖4所示，不同冷卻條件下回流焊界面金屬間化合物形貌相似，但體釬料微觀結(jié)構(gòu)存在顯著差異.其中冰水冷卻條件下，焊點(diǎn)體釬料微觀結(jié)構(gòu)的晶粒尺寸遠(yuǎn)小于室溫冷卻條件.可見界面金屬間化合物形成機(jī)制與體釬料微觀組織結(jié)構(gòu)存在較大差異.體釬料中晶粒在熔融釬料凝固過程中形核長大，快速冷卻產(chǎn)生較大的過冷度，導(dǎo)致體釬料中晶粒的尺寸減小.對界面金屬間化合物而言，其形成主要基于熔融釬料潤濕基板并產(chǎn)生相互作用，并以界面元素?cái)U(kuò)散為主要生長機(jī)制.因此，冷卻速率對金屬間化合物晶粒尺寸影響較小.

3 結(jié)論

1）回流焊溫度對界面金屬間化合物形貌影響顯著.回流焊溫度升高，金屬間化合物呈現(xiàn)楞面狀轉(zhuǎn)變趨勢.

2）回流焊過程中界面金屬間化合物晶粒尺寸增長迅速.相同條件下（Cu，Ni）6_{Sn5生長速率遠(yuǎn)低于Cu}6_Sn5

3）冷卻速率對金屬間化合物形貌影響較小，但對體釬料微觀組織影響顯著.