汪金輝，張 寧，儲(chǔ) 杰，姚佳文，周凡哲

（徐州工程學(xué)院電工程學(xué)院 江蘇 徐州 221018）

1 引言

高速鐵路是一個(gè)高技術(shù)集中的大系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)依托的微電子設(shè)備的高可靠性對(duì)高鐵的安全運(yùn)行有著至關(guān)重要的影響。在電子產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，釬焊的主要作用就是起微小的電子元器件和電路基底板的連接作用。電子產(chǎn)品快速地更新?lián)Q代，不斷朝著高質(zhì)量、小型化方向靠攏，使電子封裝技術(shù)要求越來(lái)越高[1]。研究表明，微焊點(diǎn)在電流密度較大、溫度較高的情況下使用會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的焊點(diǎn)可靠性問(wèn)題，會(huì)產(chǎn)生一定的電遷移、相分離、熱蠕變以及金屬間化合物（intermetallic compound，IMC）的溶解，這無(wú)疑給電子產(chǎn)品小型化、高可靠性的要求帶來(lái)困難[2]。特別是我國(guó)推行的“一帶一路”政策，高速鐵路作為名片推廣至世界各地，運(yùn)行環(huán)境因地域不同而復(fù)雜多變，在嚴(yán)酷工況下長(zhǎng)期使用一旦焊點(diǎn)失效，出現(xiàn)短路情況，相關(guān)指令不起作用，電子設(shè)備出現(xiàn)故障，不僅造成生命財(cái)產(chǎn)的損失，甚至帶來(lái)政治上的負(fù)面影響，導(dǎo)致的災(zāi)難性后果無(wú)法估量。因此，增大高鐵微電子設(shè)備封裝焊點(diǎn)的可靠性，研發(fā)高性能、長(zhǎng)壽命、無(wú)鉛化的復(fù)合釬料，替代昂貴的進(jìn)口產(chǎn)品，已經(jīng)迫在眉睫[3]。

目前，Cu/焊料Ni夾心結(jié)構(gòu)是最常用的接頭配置之一，用于將芯片（或芯片載體）電連接到下一個(gè)封裝層。在聯(lián)合制造和后續(xù)使用過(guò)程中，與該配置相關(guān)的可靠性問(wèn)題涉及多個(gè)方面。 這些可靠性問(wèn)題之一是由銅和鎳之間的所謂交互作用造成的。本文設(shè)計(jì)制作了微互連焊點(diǎn)電-熱耦合實(shí)驗(yàn)裝置，開展了Cu/Sn3.0Ag0.5Cu-0.01BP/Ni微焊點(diǎn)的電-熱耦合實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了不同電流密度下高溫時(shí)效前后微互連焊點(diǎn)界面組織的變化情況，研究了陽(yáng)極Cu側(cè)和陰極Ni側(cè)IMC層的生長(zhǎng)機(jī)制和電-熱耦合兩種加速應(yīng)力對(duì)界面IMC生長(zhǎng)行為的影響。

2 材料與方法

實(shí)驗(yàn)所用純銅基板和純鎳基板的待焊面用砂紙進(jìn)行預(yù)磨光，并分別經(jīng)丙酮和酒精超聲清洗處理。釬料合金為自制的Sn3.0Ag0.5Cu-0.01BP無(wú)鉛復(fù)合釬料，采用專用夾具在加熱臺(tái)上釬焊搭接試樣，搭接寬度0.5 mm，釬縫間隙150 μm，釬焊溫度250 ℃，釬焊時(shí)間1 min。將釬焊后的Cu/Sn3.0Ag0.5Cu-0.01BP/Ni搭接焊件線切割成橫截面尺寸0.5 mm×1 mm的搭接條狀試樣。Cu基板接入直流穩(wěn)壓電源的正極、Ni基板接入負(fù)極，試樣固定在隔熱板上，放入加熱箱中。加熱溫度150 ℃，施加電流密度0A/cm2和2.0×103A/cm2，實(shí)驗(yàn)6 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將試樣分別經(jīng)切割、冷鑲、研磨、拋光及腐蝕處理，采用掃描電子顯微鏡觀察焊后態(tài)和不同電流密度加熱狀態(tài)下的Cu側(cè)和Ni側(cè)界面形貌變化情況，并用能譜儀進(jìn)行成分分析。

3 結(jié)果及分析

3.1 不同電流密度下焊點(diǎn)Cu側(cè)形貌變化

圖1為電-熱耦合條件下不同電流密度時(shí)Cu端（陽(yáng)極）界面組織形貌的SEM圖。從圖1(a)焊后態(tài)可以看出，由能譜儀分析可知，界面IMC上Cu元素的原子百分比為53.42at%，Sn為46.58at%，由此可知主要是Cu6Sn5相，而Cu3Sn相還沒有生成?；w相物質(zhì)是β-Sn相組織，織狀結(jié)構(gòu)是Ag-Sn共晶結(jié)構(gòu)組織，圖片中白色小亮點(diǎn)是Ag3Sn。在未進(jìn)行電流時(shí)效作用時(shí)，Cu6Sn5非常均勻地密布在無(wú)鉛釬料組織中，并且組織形態(tài)呈扇貝小塊狀。由圖1(b)可以看出，電子從Ni端流向Cu端，隨著電流時(shí)效作用的加劇，在電流密度2.0×103A/cm2時(shí)，經(jīng)過(guò)6 h的150 ℃高溫時(shí)效，釬料中的β-Sn相組織逐漸消失，Cu6Sn5相隨著電流時(shí)效作用的加劇而迅速長(zhǎng)大，由之前不規(guī)則的扇貝小塊狀生長(zhǎng)為大面積的層塊狀，由于Cu6Sn5相為硬脆的金屬間化合物，大面積且較厚的IMC層對(duì)焊縫的力學(xué)性能造成破壞，容易在服役過(guò)程中導(dǎo)致焊點(diǎn)發(fā)生脫落。

圖1 焊后態(tài)0 h和2.0×103A/cm2、6 h電熱耦合作用下陽(yáng)極界面形貌

3.2 不同電流密度下焊點(diǎn)Ni側(cè)形貌變化

圖2為電-熱耦合條件下不同電流密度時(shí)Ni端（陰極）界面組織形貌的SEM圖。從圖2(a)焊后態(tài)可以看出，由能譜儀分析可知，界面IMC上Cu元素的原子百分比為46.33at%，Ni為6.56at%，Sn為47.1at%，由此可知主要是(CuxNiy)6Sn5相，組織形態(tài)呈不規(guī)則的波浪狀。由圖2(b)可以看出，電子從Ni端流向Cu端，在電流應(yīng)力作用下，互連焊點(diǎn)的溫度梯度從Ni端到Cu端。原子熱遷移方向與電遷移方向一致，進(jìn)一步加劇了電遷移效應(yīng)。(CuxNiy)6Sn5相從焊后態(tài)的小波浪狀快速分布在原β-Sn相組織區(qū)域，成為大面積的層塊狀，且比Cu基板側(cè)的Cu6Sn5相厚度更大。IMC在陰極和陽(yáng)極處的不平衡生長(zhǎng)是由于Cu原子在電子風(fēng)的作用下從陰極驅(qū)向陽(yáng)極而遷移到液體焊料體積中，導(dǎo)致陰極處的Cu原子消耗和陽(yáng)極處的Cu原子積聚。

圖2 焊后態(tài)0 h和2.0×103A/cm2、6 h電熱耦合作用下陰極界面形貌

焊點(diǎn)Cu、Ni兩側(cè)界面IMC的厚度采用ImageJ軟件圖像處理電鏡照片并測(cè)量得出，見圖3。陽(yáng)極側(cè)Cu6Sn5相IMC層厚度由焊后態(tài)時(shí)的4.02 μm快速增大到施加高密度電流后的23.11 μm，增長(zhǎng)了4.75倍；而陰極側(cè)（CuxNiy）6Sn5相IMC層厚度由焊后態(tài)時(shí)的4.11 μm更是急速增大到施加高密度電流后的68.52 μm，增長(zhǎng)了15.67倍。陳雷達(dá)等[4]通過(guò)對(duì)高電流密度的Cu/Sn-9Zn/Ni焊點(diǎn)同步輻射實(shí)時(shí)成像，發(fā)現(xiàn)液-固電遷移時(shí)Cu側(cè)界面大量消耗，當(dāng)電流密度高于1.0×104A/cm2，電子流經(jīng)由鎳基板流向銅基板時(shí)，銅測(cè)的溶解厚度與時(shí)間為線性相關(guān)，溶解速率隨電流密度的增大而加快。W.H.WU等[5]研究中了電流方向?qū)u/Sn/Ni接頭構(gòu)型中Cu-Ni交叉相互作用的影響。當(dāng)電子流向Ni側(cè)時(shí)，大量的Cu被驅(qū)動(dòng)到Ni側(cè)，導(dǎo)致（Cu，Ni）6Sn5的厚度增加；而當(dāng)電子流離開Ni側(cè)時(shí)，則阻礙了Cu向Ni側(cè)的擴(kuò)散。這些研究均與本文結(jié)果一致。

圖3 電-熱耦合下Cu端（陽(yáng)極）和Ni端（陰極）界面IMC厚度

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于微互連焊點(diǎn)電-熱耦合實(shí)驗(yàn)裝置開展了Cu/Sn3.0Ag0.5Cu-0.01BP/Ni微焊點(diǎn)的電-熱耦合實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在電熱耦合時(shí)效過(guò)程中，Cu基板處的Cu6Sn5相IMC層和Ni基板處的(CuxNiy)6Sn5相IMC層均較焊后態(tài)迅速增長(zhǎng)，分布增大了4.75倍和15.67倍。因?yàn)殡娺w移的極化效應(yīng)和電流的焦耳熱效應(yīng)，造成陰極界面處的IMC生長(zhǎng)速度高于陽(yáng)極。