蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系(215104)
楊 揚(yáng) 溫貽芳
上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院(200240)
余 春
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微量Ni對(duì)Sn/Cu界面組織形貌及柯氏孔洞形成的影響
蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系(215104)
楊 揚(yáng) 溫貽芳
上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院(200240)
余 春
通過對(duì)反應(yīng)界面微觀組織形貌的表征分析,系統(tǒng)研究了熱老化條件下微量Ni元素對(duì)SnxNi/Cu(x的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0,0.05%,0.10%)的界面組織形貌演變及柯肯達(dá)爾孔洞形成的影響。結(jié)果表明,相對(duì)于Sn/Cu界面,添加的Ni元素大幅加速了SnxNi/Cu界面(Cu,Ni)6Sn5層的生長(zhǎng),但顯著阻緩了(Cu,Ni)3Sn層的形成,有效抑制了柯肯達(dá)爾孔洞的形成。(Cu,Ni)6Sn5層由多層細(xì)小晶粒組成,這種多晶界結(jié)構(gòu)有利于界面組分元素的互擴(kuò)散,可緩解Cu和Sn的不平衡擴(kuò)散;薄的(Cu,Ni)3Sn層限制了孔洞的形成空間,從而進(jìn)一步抑制孔洞的形成。
界面 柯肯達(dá)爾孔洞 合金元素 金屬間化合物
倒裝焊芯片互連技術(shù)(Flip-Chip)已成為高端器件及高密度封裝領(lǐng)域中經(jīng)常采用的一種封裝技術(shù)。隨著電子產(chǎn)品的微型化和多功能化,芯片內(nèi)部焊點(diǎn)的尺寸也越來越小,而焊點(diǎn)反應(yīng)界面所占的比例卻越來越大。故此,界面處形成的柯肯達(dá)爾孔洞對(duì)焊點(diǎn)可靠性的危害愈來愈不容忽視[1-2]。
在對(duì)焊點(diǎn)的熱老化測(cè)試中,Sn基釬料與Cu焊盤的反應(yīng)界面處會(huì)形成Cu6Sn5和Cu3Sn金屬間化合物層,柯肯達(dá)爾孔洞常伴隨Cu3Sn層的形成而出現(xiàn)。國(guó)內(nèi)外科研工作者常采用添加合金元素的方法來抑制焊點(diǎn)反應(yīng)界面處柯肯達(dá)爾孔洞的形成,常見合金元素有Cu[3],Ag,Ni,Zn[4],F(xiàn)e[5]等。
研究者們常將Ni元素加入二元或多元系Sn基釬料內(nèi)(如Sn-Ag和Sn-Ag-Cu),以研究其對(duì)焊點(diǎn)反應(yīng)界面處金屬間化合物層和柯肯達(dá)爾孔洞的影響[6-7]。然而,釬料內(nèi)的Ag和Cu元素本身對(duì)柯肯達(dá)爾孔洞的形成就有一定影響,這將會(huì)對(duì)研究Ni元素的作用造成一定干擾。故文中將微量Ni元素加入純Sn釬料中,專門研究其對(duì)界面組織形貌和柯肯達(dá)爾孔洞的影響,以期獲得Ni元素的作用機(jī)制,從而在一定程度上對(duì)工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)。
1.1 試驗(yàn)材料
試驗(yàn)所采用材料及其純度見表1。SnxNi(x的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%,0.1%)釬料由錫粒和鎳絲熔煉而成。基板由銅箔(厚度0.1 mm)及沉積在其表面的電鍍銅層(厚度10 μm)構(gòu)成。
表1 試驗(yàn)材料
1.2 試驗(yàn)方法
將Sn或SnxNi釬料顆粒置于基板(10 mm×10 mm)中心,并在表面涂覆助焊劑,然后放入回流爐中進(jìn)行焊接,獲得SnxNi/Cu接頭。預(yù)熱階段溫度為200 ℃,最高回流溫度為260 ℃,然后在180 ℃下對(duì)焊態(tài)試樣進(jìn)行熱老化處理,具體方案見表2。
表2 試驗(yàn)方案
試樣制備完畢后,采用環(huán)氧樹脂及固化劑將其冷鑲,并對(duì)其截面進(jìn)行研磨和拋光處理。利用SEM的背散射電子成像技術(shù)(BSE)對(duì)反應(yīng)界面的微觀組織進(jìn)行表征。為觀察金屬間化合物層頂部形貌,采用體積分?jǐn)?shù)為13%的HNO3水溶液腐蝕掉試樣頂部釬料。
圖1為經(jīng)180 ℃熱老化處理的Sn/Cu界面微觀組織形貌。圖1a為回流態(tài)Sn/Cu界面組織形貌,界面處形成了一層較薄的扇貝形Cu6Sn5,厚度約為2.1 μm,沒有產(chǎn)生柯肯達(dá)爾孔洞。經(jīng)180 ℃熱老化處理24 h后,Cu6Sn5層與Cu基板之間形成了Cu3Sn層,并在Cu3Sn層內(nèi)生成少量孔洞,如圖1b所示。處理72 h后,Cu3Sn層厚度增加,在其層內(nèi)及Cu3Sn/Cu界面出現(xiàn)大量孔洞,并且越靠近基板一側(cè),Cu3Sn層中孔洞的密度越大,如圖1c所示。處理168 h后,界面金屬間化和物層厚度增加,而孔洞密度無顯著變化,如圖1d所示。
圖1 經(jīng)180 ℃熱老化處理的Sn/Cu界面 微觀組織形貌
與回流態(tài)Sn/Cu界面的組織形貌差異很大,Sn0.05Ni/Cu界面形成了多層(Cu,Ni)6Sn5小晶粒,結(jié)構(gòu)疏松,晶粒間還存在許多未反應(yīng)的釬料;越靠近釬料一側(cè),結(jié)構(gòu)越疏松;(Cu,Ni)6Sn5層的厚度大幅增加,約為7.8 μm,如圖2a所示。經(jīng)180 ℃熱老化處理24 h后,(Cu,Ni)6Sn5/Cu界面形成(Cu,Ni)3Sn薄層,沒有柯肯達(dá)爾孔洞生成;(Cu,Ni)6Sn5層增厚,但仍比較疏松,如圖2b所示。處理168 h后,(Cu,Ni)3Sn層變厚,其層內(nèi)和(Cu,Ni)3Sn/Cu界面出現(xiàn)少量孔洞,(Cu,Ni)6Sn5層逐漸變得致密,如圖2c所示?;亓鲬B(tài)Sn0.1Ni/Cu界面的組織形貌與Sn0.05Ni/Cu界面相似,但其(Cu,Ni)6Sn5層較為致密,如圖3a所示。處理24 h后,界面出現(xiàn)(Cu,Ni)3Sn層,如圖3b所示。168 h后,(Cu,Ni)3Sn層內(nèi)和(Cu,Ni)3Sn/Cu界面也形成少量柯肯達(dá)爾孔洞,(Cu,Ni)6Sn5層的局部區(qū)域發(fā)生了剝落,可以觀察到(Cu,Ni)6Sn5由多層緊密排布的小晶粒組成,如圖3c所示。
圖2 經(jīng)180 ℃熱老化處理的Sn0.05Ni/Cu 界面微觀組織形貌
圖3 經(jīng)180 ℃熱老化處理的Sn0.1Ni/Cu界面微觀組織形貌
由上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),向Sn釬料內(nèi)加入微量的Ni元素會(huì)在很大程度上改變反應(yīng)界面的組織形貌:①SnxNi/Cu界面金屬間化合物層的總厚度大幅增加,約為Sn/Cu界面的2~3倍,見表3;②界面處(Cu,Ni)6Sn5層由多層細(xì)小晶粒組成,隨著熱老化處理時(shí)間的延長(zhǎng),化合物層組織由疏松逐漸變得致密,而Sn/Cu界面的Cu6Sn5層為單層致密結(jié)構(gòu),層內(nèi)晶粒尺寸遠(yuǎn)大于(Cu,Ni)6Sn5層內(nèi)晶粒(圖4);③SnxNi/Cu界面(Cu,Ni)3Sn層的生長(zhǎng)受到明顯抑制,其厚度僅為Sn/Cu界面Cu3Sn層的1/2左右;④相對(duì)于Sn/Cu界面,SnxNi/Cu界面柯肯達(dá)爾孔洞的形成周期較長(zhǎng),且其數(shù)量和尺寸大幅減小。
表3 SnxNi/Cu界面IMC層的厚度 μm
圖4 Sn/Cu界面Cu6Sn5層頂部形貌(180 ℃,72 h)
界面反應(yīng)過程中,(Cu,Ni)6Sn5層疏松的多層細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)有利于Cu和Sn元素的互擴(kuò)散,促進(jìn)了界面反應(yīng)和(Cu,Ni)6Sn5層的生長(zhǎng),但抑制了富銅相(Cu,Ni)3Sn的生成。
焊點(diǎn)反應(yīng)界面處柯肯達(dá)爾孔洞形成的本質(zhì)是組分元素Cu從基板向釬料一側(cè)的擴(kuò)散速度大于Sn從釬料向基板一側(cè),為不平衡擴(kuò)散,可為界面孔洞的形核生長(zhǎng)提供空位,擴(kuò)散形式可表示為:
Jv+JSn=JCu
(1)
式中:JCu,JSn和Jv分別為反應(yīng)界面Cu,Sn和空位的擴(kuò)散通量,并且Cu基板電鍍層內(nèi)含有雜質(zhì)[8],會(huì)降低反應(yīng)界面的孔洞形核能,有利于柯肯達(dá)爾孔洞的形核生長(zhǎng)。
在SnxNi/Cu界面處,(Cu,Ni)6Sn5層的疏松結(jié)構(gòu)緩解了Cu和Sn的不平衡擴(kuò)散,減少了空位供給,這在一定程度上抑制了孔洞的形成。此外,界面柯肯達(dá)爾孔洞常伴隨(Cu,Ni)3Sn相的形成而出現(xiàn),微量Ni元素的加入會(huì)顯著抑制(Cu,Ni)3Sn的生長(zhǎng),從而限制孔洞的形成空間。
故此,Ni元素與Cu,Zn等元素的作用機(jī)制不同,前者采用“疏導(dǎo)”界面互擴(kuò)散的方式來抑制孔洞形核生長(zhǎng),而后者通過抑制界面互擴(kuò)散,來阻緩Cu3Sn層的生長(zhǎng)和柯肯達(dá)爾孔洞的形成。
(1)SnxNi/Cu界面(Cu,Ni)6Sn5層的厚度大幅增加,但(Cu,Ni)3Sn層的生長(zhǎng)受到明顯抑制;(Cu,Ni)6Sn5層由多層小晶粒組成,這種多晶界結(jié)構(gòu)有利于界面組分元素Cu和Sn的互擴(kuò)散。
(2)與Sn/Cu焊點(diǎn)相比,SnxNi/Cu焊點(diǎn)中(Cu,Ni)3Sn層和(Cu,Ni)3Sn/Cu界面處柯肯達(dá)爾孔洞的數(shù)量和尺寸大幅減小。
(3)微量Ni元素緩解了界面Cu和Sn的不平衡擴(kuò)散,減少了空位供給;抑制了(Cu,Ni)3Sn層的生長(zhǎng),限制了孔洞的形成空間,從而顯著抑制了柯肯達(dá)爾孔洞的形核生長(zhǎng)。
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2016-03-28
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51105251);江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20161228)。
TG425+.1
楊 揚(yáng),1982年出生,博士,講師。主要從事微電子互連、機(jī)器人焊接方面的研究,已發(fā)表論文10余篇。