摘 要：【目的】研究Cu/Sn/Ni焊點(diǎn)在265 ℃下鍵合過程中界面金屬間化合物的生長趨勢(shì)及形貌演變?！痉椒ā渴褂脪呙桦婄R對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行觀察和分析。【結(jié)果】隨著鍵合時(shí)間的增加，界面金屬間化合物總厚度不斷增加。在Cu-Ni的交互作用下，界面金屬間化合物在Cu/Sn和Ni/Sn兩側(cè)表現(xiàn)出不同的界面形貌演變和生長速度。在等溫回流的四個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)中，Cu/Sn側(cè)的金屬間化合物生長速率呈先快后慢的趨勢(shì)，而Ni/Sn側(cè)則為先慢后快。此外，在Cu/Sn/Ni焊點(diǎn)等溫回流的四個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)中，Cu/Sn側(cè)和Ni/Sn側(cè)金屬間化合物的微觀形貌存在明顯差異?！窘Y(jié)論】本研究為深入理解焊點(diǎn)界面金屬間化合物的生長規(guī)律提供了有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：Cu/Sn/Ni焊點(diǎn)；金屬間化合物；界面反應(yīng)

中圖分類號(hào)：TG454" " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " " " " " " " " "文章編號(hào)：1003-5168（2023）12-0085-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.12.016

Growth and Evolution of Intermetallic Compounds at the Interface of Cu/Sn/Ni Solder Joints

YOU Feixiang1 LI Wuyue1 LI Guojun2 TIAN Ye1

（1.Henan University of Technology， Zhengzhou 450001， China; 2.Henan Costar Group Co.， Ltd.，

Nanyang 473004， China）

Abstract： [Purposes] This article aims to investigate the growth trend and morphological evolution of intermetallic compounds （IMCs） at the interface of Cu/Sn/Ni solder joints during the bonding process at 265 ℃. [Methods] Scanning electron microscopy was used to observe and analyze the solder joints. [Findings] The total thickness of the IMCs at the interface continuously increased with the increase of bonding time. Under the interaction of Cu-Ni， the interface morphology evolution and growth rate of the IMCs on both sides of Cu/Sn and Ni/Sn showed different characteristics. Among the four time points of isothermal reflow， the growth rate of the IMCs on the Cu/Sn side exhibited a trend of fast-slow-fast， while on the Ni/Sn side it was slow-fast-slow. In addition， there were significant differences in the microscopic morphology of the IMCs on the Cu/Sn and Ni/Sn sides at the four time points of isothermal reflow in Cu/Sn/Ni solder joints. [Conclusions] In summary， this study provides valuable reference for a better understanding of the growth law of IMCs at the interface of solder joints.

Keywords： Cu/Sn/Ni solder joint; intermetallic compound; interface reaction

0 引言

在集成電路封裝技術(shù)中，Cu和Ni常作為倒裝芯片凸點(diǎn)下金屬層（UBM），被廣泛使用，Cu/Sn/Ni三明治焊點(diǎn)已經(jīng)成為芯片的常用封裝結(jié)構(gòu)［1］。近年來，在摩爾定律的推動(dòng)下，電子產(chǎn)品朝著多功能、高密度和微型化趨勢(shì)發(fā)展，微焊點(diǎn)尺寸已經(jīng)達(dá)到微米級(jí)［2］。隨著微焊點(diǎn)尺寸不斷減小，由液態(tài)釬料與固態(tài)金屬焊盤通過固液界面反應(yīng)生成的金屬間化合物（Intermetallic Compound，IMC）的比例不斷增加，使IMC逐漸成為影響微焊點(diǎn)可靠性和使用壽命的重要因素。

近年來，國內(nèi)外對(duì)Cu/Sn/Ni焊點(diǎn)的界面反應(yīng)進(jìn)行了諸多研究。其中黃明亮等［3］研究了Cu-Ni交互作用對(duì)Cu/Sn/Ni焊點(diǎn)界面IMC層厚度的影響，以及Cu/Sn/Ni焊點(diǎn)可靠性降低的原因。還有部分學(xué)者研究了Cu/Sn/Ni焊點(diǎn)的服役性能和可靠性，董紅杰等［4］則是通過制備Cu/Sn/Ni全I(xiàn)MC焊點(diǎn)，證明焊點(diǎn)的重熔溫度和平均剪切強(qiáng)度符合高溫功率器件封裝中的互連需求。雖然部分學(xué)者對(duì)大尺寸封裝結(jié)構(gòu)下Cu/Sn/Ni焊點(diǎn)的界面IMC演變和焊點(diǎn)力學(xué)性能進(jìn)行了研究［5］，但是對(duì)窄間距條件下的Cu/Sn/Ni焊點(diǎn)中的界面IMC生長變化和形貌演變的研究尚不充分，界面反應(yīng)過程中Cu和Ni對(duì)窄間距互連中IMC的交互影響方面仍需要進(jìn)一步探究。

本試驗(yàn)制備了互連高度為20 μm的Cu/Sn/Ni微焊點(diǎn)，通過在加熱平臺(tái)上等溫加熱不同時(shí)間，得到各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的IMC形貌和IMC層厚度，來研究回流時(shí)間對(duì)Cu/Sn/Ni焊點(diǎn)兩側(cè)界面上IMC生長速度和形貌的區(qū)別，從而分析Cu-Ni交互作用對(duì)界面IMC生長過程的影響。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用材料為T2級(jí)紫銅棒（純度99.9%，長度17 mm，直徑1 mm）和N6鎳棒（純度99.9%，長度17 mm，直徑1 mm）。使用的釬料為10 mm×10 mm×0.03 mm的純錫薄片（純度99.99%），銅棒和鎳棒端面已拋光。使用自制的夾具固定銅棒和鎳棒，涂抹助焊劑后，用端面夾緊錫片，調(diào)整夾具刻度直至互連高度為20 μm。然后把夾具放在無鉛回流焊機(jī)（HW-R108NC）中進(jìn)行初步鍵合，在Sn片熔化30 s后取下，再使用冷水將初始回流樣冷卻至室溫。隨后將初始回流樣放置于加熱平臺(tái)上，平臺(tái)參數(shù)設(shè)定為265 ℃，從Sn片熔化開始計(jì)時(shí)，加熱時(shí)間分別為6 min、13 min、21 min、31 min，再將樣品取下來并使用水冷裝置冷卻至室溫。各個(gè)樣品在平臺(tái)上加熱時(shí)間再加上30 s即為界面反應(yīng)時(shí)間。

首先，利用環(huán)氧樹脂將冷卻至室溫后的樣品利用冷鑲嵌進(jìn)行固定，使用砂紙對(duì)樣品進(jìn)行粗磨和細(xì)磨。然后，使用顆粒直徑為1 μm、0.3 μm、0.05 μm的氧化鋁懸浮拋光液對(duì)樣品橫截面進(jìn)行拋光；再使用1%鹽酸-99%酒精（體積分?jǐn)?shù)）的腐蝕液對(duì)樣品橫截面進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間為3 s。最后，采用蔡司Sigma-500型號(hào)掃描電子顯微鏡對(duì)界面IMC的微觀組織形貌進(jìn)行圖像拍攝，采用ImageJ圖像處理軟件對(duì)SEM圖進(jìn)行測(cè)量分析。為使界面IMC層厚度的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，每張圖片測(cè)量3次，然后取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同反應(yīng)時(shí)間下的Cu/Sn/Ni橫截面微觀結(jié)構(gòu)

Cu/Sn/Ni 焊點(diǎn)在265 ℃下回流鍵合30 s后的橫截面SEM如圖1所示。由圖1可知，Cu/Sn界面IMC形貌為扇貝狀，Ni/Sn界面IMC形貌為棒狀，Cu焊盤和Ni焊盤之間互連效果良好，互連高度為20 μm。Cu/Sn界面IMC為Cu6Sn5，IMC層厚度為1.0 μm，Ni/Sn界面IMC為Ni3Sn4，IMC層厚度為0.6 μm。在界面反應(yīng)30 s的樣品中，Cu和Ni的元素成分都沒有穿過Sn釬料到達(dá)另一端對(duì)IMC形貌和生長產(chǎn)生影響。因此，在較短時(shí)間的鍵合下兩側(cè)的Cu、Ni不存在交互作用。

Cu/Sn/Ni焊點(diǎn)在265 ℃回流不同時(shí)間后的橫截面微觀組織SEM如圖2所示。由圖2可知，底部灰色區(qū)域?yàn)镹i端，頂部灰色區(qū)域?yàn)镃u端。如圖2（a）所示，在微焊點(diǎn)的兩側(cè)形成一層較薄的IMCs，Cu/Sn端IMC形貌為緊密排列的短棒狀，另一端則表征為細(xì)棒狀和粗棒針交錯(cuò)排列，Cu/Sn端IMC厚度比Ni/Sn端更厚，兩端的金屬間化合物都為（Cu，Ni）6Sn5。使用ImageJ軟件得出Cu/Sn側(cè)和Ni/Sn側(cè)IMC厚度分別為5.3 μm和3.4 μm。當(dāng)界面反應(yīng)時(shí)間為13.5 min時(shí)，如圖2（b）所示，可以明顯觀察到兩側(cè)界面IMC層厚度變得更厚，且Ni/Sn側(cè)IMC生長速度比Cu/Sn側(cè)更快，Cu/Sn側(cè)和Ni/Sn側(cè)IMC厚度分別為6.0 μm和4.4 μm。Ni/Sn側(cè)塊狀增多，Cu/Sn側(cè)IMC晶粒之間空隙縮小，Cu/Sn端IMC厚度比Ni/Sn端更厚。當(dāng)加熱時(shí)間增加到21.5 min時(shí)，如圖2（c）所示，Cu/Sn側(cè)和Ni/Sn側(cè)IMC厚度增長明顯，IMC厚度分別為7.2 μm和7.0 μm，兩端IMC層厚度基本接近。Cu/Sn界面IMC晶粒尺度有明顯增長，而Ni/Sn側(cè)晶粒融合長大形成大尺度晶粒，個(gè)別大塊晶粒在Sn釬料內(nèi)部已經(jīng)匯合。當(dāng)?shù)葴貢r(shí)間為31.5 min時(shí)，如圖2（d）所示，（Cu，Ni）6Sn5基本生長滿微焊點(diǎn)內(nèi)部，Cu/Sn側(cè)IMC和Ni/Sn側(cè)IMC生長到相互接觸融合，Cu/Sn和Ni/Sn界面IMC厚度分別為9.3 μm和10.2 μm，Ni/Sn側(cè)IMC厚度已經(jīng)反超Cu/Sn側(cè)。但是Cu/Sn和Ni/Sn兩側(cè)IMC微觀形貌有明顯區(qū)別，Cu/Sn側(cè)IMC晶粒為大塊狀，而Ni/Sn側(cè)除大塊晶粒外還有很多細(xì)小晶粒存在。

2.2 Cu/Sn/Ni橫截面不同區(qū)域的形貌

焊點(diǎn)界面IMC中Ni元素含量的變化會(huì)影響界面IMC微觀形貌［6］。265 ℃下界面反應(yīng)31.5 min的Cu/Sn/Ni橫截面如圖2（d）所示，樣品的EDS數(shù)據(jù)見表1，其中點(diǎn)A靠近Cu/Sn邊界，點(diǎn)B靠近Ni/Sn邊界。計(jì)算數(shù)據(jù)得出，此時(shí)Cu/Sn側(cè)和Ni/Sn側(cè)IMC均為（Cu，Ni）6Sn5，但是不同位置IMC 的Cu、Ni含量差距很大。其中Cu/Sn側(cè)IMC的Cu、Ni含量分別為46.5 at.%、7.5 at.%，Ni/Sn側(cè)IMC的Cu、Ni含量分別為39.3 at.%、15.9 at.%。

EDS結(jié)果表明，Cu和Ni原子的相互擴(kuò)散對(duì)界面微觀組織形貌有著決定性作用。隨著回流時(shí)間的不斷增加，Cu原子和Ni原子進(jìn)一步與Sn釬料層發(fā)生界面反應(yīng)，Ni側(cè)IMC和Cu側(cè)IMC因Cu、Ni含量的差別，微觀形貌有著一定的差別。隨著回流時(shí)間的不斷增加，兩側(cè)IMC生長到接觸融合，但是不同位置的IMC形貌也有著明顯差異。

2.3 Cu/Sn/Ni兩側(cè)界面IMC的生長速率

使用ImageJ軟件對(duì)圖2（a）至圖2（d）進(jìn)行兩端界面IMC厚度的測(cè)量，所得數(shù)據(jù)如圖3所示。由圖3可以看出，兩側(cè)界面總IMC厚度隨著固液界面反應(yīng)時(shí)間的增加而增加，界面反應(yīng)在0.5 min、6.5 min、13.5 min、21.5 min和31.5 min，各時(shí)間點(diǎn)IMC總厚度分別為1.6 μm、8.7 μm、10.4 μm、14.2 μm、19.5 μm。在界面反應(yīng)31.5 min時(shí)，Cu/Sn/Ni兩側(cè)界面IMC已相互接觸融合。如圖3所示，前兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，兩側(cè)IMC未生長到接觸，Cu/Sn固液界面反應(yīng)速度比Ni/Sn快得多，因此Cu/Sn側(cè)IMC厚度大于Ni/Sn厚度；隨著回流時(shí)間的增加，兩側(cè)界面IMC接近直至相互融合，Cu原子更快地?cái)U(kuò)散到Ni端，Ni/Sn端IMC生長速度大大加快，Ni/Sn端IMC厚度反超Cu/Sn界面IMC厚度。

Cu和Ni焊盤的交互作用顯著影響著界面IMC的微觀形貌和IMC的生長速度，從而改變焊點(diǎn)的力學(xué)性能和可靠性。一方面，界面IMC主體為（Cu，Ni）6Sn5相，彈性模量和剪切模量分別為132.5～145.8 GPa和73.23～93.8 GPa，Cu6Sn5的彈性模量和剪切模量分別為123.3 GPa和35.9～47.43 GPa，相比而言，（Cu，Ni）6Sn5有著更高的彈性模量和抗剪強(qiáng)度［4，7］。另一方面，Cu/Sn/Ni焊點(diǎn)界面IMC生長速度比Cu/Sn焊點(diǎn)更慢，這避免了界面IMC快速生長而導(dǎo)致焊點(diǎn)可靠性下降，進(jìn)而影響焊點(diǎn)使用壽命。

3 結(jié)論

①在Cu/Sn/Ni焊點(diǎn)等溫回流過程中，由于Cu-Ni的交互作用，Cu/Sn和Ni/Sn界面都會(huì)生成（Cu，Ni）6Sn5，但會(huì)因IMC位于焊點(diǎn)的相對(duì)位置不同從而形成不同Cu、Ni元素含量的（Cu，Ni）6Sn5。

②Cu/Sn側(cè)IMC生長速度先快后慢，而Ni/Sn側(cè)IMC生長速度先慢后快。在等溫回流時(shí)間為6.5 min和13.5 min時(shí)，Cu/Sn側(cè)IMC厚度大于Ni/Sn側(cè)IMC厚度；在回流21.5 min時(shí)，Ni/Sn側(cè)IMC厚度與Cu/Sn側(cè)IMC厚度基本相同；在固液界面反應(yīng)31.5 min時(shí)，Cu/Sn側(cè)和Ni/Sn側(cè)IMC厚度分別為9.3 μm和10.2 μm。

③Cu/Sn/Ni固液界面反應(yīng)過程中，在Cu-Ni交互作用影響下，Cu/Sn和Ni/Sn側(cè)IMC因不同的Cu、Ni元素含量會(huì)有不同的界面IMC形貌，這提高了焊點(diǎn)的力學(xué)性能和可靠性。

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