Sn釬料與不同類型Cu焊盤界面行為研究.pdf

1、隨著電子封裝的微型化，界面金屬間化合物（IMCs，Intermet a llic compounds）在焊點內(nèi)所占的比重越來越大。焊點連接處的界面行為對電子器件的可靠性有著重要的影響。在電子封裝工業(yè)中，為了節(jié)約成本，焊盤制備采用的是電鍍銅方法（EP Cu，Electroplated Cu），其微觀屬性不同于純銅（HP Cu，High purity Cu）。但是，目前關(guān)于EP Cu焊點的界面行為研究還存在很多疑問。另外，EP Cu會引入雜

2、質(zhì)，其不但會影響焊點的界面行為，而且還會帶來環(huán)境的問題。于是潔凈、環(huán)保的制備焊盤的方法越來越受到電子封裝行業(yè)的關(guān)注，真空濺射銅（VS Cu，Vacuumed-sputtered Cu）就是這樣一種制備焊盤的方法。本課題針對三種Cu焊盤焊點（Sn/HP Cu，Sn/EP Cu，Sn/VS Cu）的界面行為進行研究。揭示了焊盤的微觀組織對界面IMCs的形貌、織構(gòu)演變、粗化行為、生長動力學以及柯肯達爾空洞（KV）行為的影響。同時對界面處焊盤溶

3、解的微觀機制進行探討。本課題的研究結(jié)果對電子封裝在焊盤的選取和提高焊點的可靠性都具有一定的理論指導(dǎo)意義。主要結(jié)論如下：
　　1. C u焊盤的微觀組織對界面金屬間化合物的形核和生長有著重要的影響。HP Cu界面處Cu6Sn5的形貌呈現(xiàn)出典型的扇貝狀，EP Cu表現(xiàn)為小圓球狀，而VS Cu則呈現(xiàn)出短棒狀。在晶粒的熟化階段，界面Cu6Sn5晶粒的生長速度為:K Sn/HP Cu>K Sn/EP Cu>K Sn/VS Cu；在晶粒的吞并

4、階段，則轉(zhuǎn)化為：K Sn/VS Cu>K Sn/EP Cu>K Sn/HP Cu。此外，Cu6Sn5前期的生長主要受晶界擴散控制而后期受體擴散控制，但是Cu3Sn的生長一直受體擴散控制。
　　2.在熱老化階段，Sn/HP Cu、Sn/EP Cu和Sn/VS Cu界面IMCs（Cu6Sn5和 C u3S n）的厚度均表現(xiàn)為拋物線型生長，但它們的生長速度不一致，表現(xiàn)為K Sn/VS Cu>K Sn/EP Cu>K Sn/HP Cu。<

5、br>　　3.研究了熱老化階段Sn/HP Cu，Sn/EP Cu和Sn/VS Cu界面柯肯達空洞（KV）行為。結(jié)果表明，KV容易出現(xiàn)在EP Cu和VS Cu界面的Cu3Sn層中，但不容易出現(xiàn)在HP Cu界面中。并且，KV在EP Cu中的尺寸和數(shù)量都大于VS Cu。三種接頭的KV差異可歸因于以下三個因素：（i）Cu焊盤的晶粒尺寸的差異：由于VS Cu與EP Cu的晶粒尺寸比HP Cu細，導(dǎo)致Sn/Cu界面的不平衡擴散速度越高，越容易產(chǎn)生K

6、V；(ii) Cu焊盤雜質(zhì)元素的差異：EP Cu焊盤中含有的雜質(zhì)Cl，S和聚乙二醇（PEG）會促進KV的生長，而VS Cu和HP Cu不存在這些雜質(zhì)；(iii)鍍層的影響：由于VS Cu和EP Cu鍍層的晶界眾多，這些晶界內(nèi)存儲著大量晶界能，其中部分能量會在界面反應(yīng)過程中釋放并被引入界面，從而促進KV的形成。
　　4.采用基于密度泛函理論分子動力學方法，考慮電場強度（F）和Sn晶粒取向的影響，對M/Sn（M=Ni，Cu，Ag，Au

7、 or In)焊點中M原子的擴散引起界面處焊盤溶解的機制進行了研究。結(jié)果表明，(i)由于Sn晶粒[100]和[001]方向的原子排布不同，M原子沿著Sn晶粒[100]（a-axis）方向所需的擴散勢壘Epe大于[001]（c-axis）方向;(ii)受M原子本身半徑和M3d Sn2p軌道雜化程度的影響，從Ni到In原子，擴散勢壘Epe會逐漸增加；（iii）電場強度的增加加劇了M與Sn間的電荷Q轉(zhuǎn)移和再分配，進而減小M原子的擴散勢壘Epe