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文檔簡介
1、Sn基焊料在電子器件中被廣泛地用于連接器件與基板,以提供所需的機(jī)械支撐和電信號(hào)通路??煽炕ミB焊點(diǎn)的性能主要取決于在回流中熔化的焊料與固態(tài)基板間的反應(yīng)。此反應(yīng)在焊料/基板界面所生成的IMC層會(huì)在后續(xù)的器件服役期間或者高溫老化期間持續(xù)生長,導(dǎo)致焊點(diǎn)中的IMC比例不斷上升。由于IMC層(如Cu6Sn5和Cu3Sn)的力學(xué)性能,例如楊氏模量、硬度等,與焊點(diǎn)的焊料基體和被連接的金屬表面(如基板焊盤、引腳)有很大差別。因此,焊點(diǎn)中IMC比例的上升會(huì)
2、導(dǎo)致焊點(diǎn)在外載荷作用下內(nèi)部變形明顯不協(xié)調(diào),這會(huì)引起重要的互連焊點(diǎn)可靠性問題。另外,IMC生長過程中同時(shí)伴隨著體積收縮。在微小焊點(diǎn)中,由于IMC的比例較高,IMC生長引起的體積收縮會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致焊點(diǎn)的尺寸變化、殘余應(yīng)力、影響焊點(diǎn)的宏觀變形行為以及宏觀斷裂行為。在過去的幾十年中,雖然有大量的關(guān)于界面IMC層以及其對(duì)焊點(diǎn)可靠性影響的研究工作。但是,關(guān)于由IMC層生長導(dǎo)致的體積收縮所引起的焊點(diǎn)各種可靠性問題的研究,文獻(xiàn)中少有報(bào)導(dǎo)。
本文
3、研究了Sn基無鉛焊點(diǎn)在老化后的IMC生長以及由IMC生長導(dǎo)致的體積收縮和由于體積收縮導(dǎo)致的焊點(diǎn)界面殘余應(yīng)力的演化。另外,還對(duì)IMC層生長伴隨的體積收縮對(duì)焊點(diǎn)整體的壓蠕變變形和拉伸斷裂行為的影響進(jìn)行了研究和分析。主要研究成果如下:
研究了Sn-1%Cu/Cu焊點(diǎn)中界面處沿?cái)U(kuò)散方向以及垂直于擴(kuò)散方向的IMC生長。在175℃老化之后,Cu6Sn5、Cu3Sn層的水平生長與老化時(shí)間的關(guān)系為,(此處公式省略)和(此處公式省略),其中t為
4、老化時(shí)間,單位為h;h為IMC層厚度,單位為μm。在相同老化溫度下,垂直IMC的高度與老化時(shí)間呈拋物線規(guī)律,其關(guān)系式為y=0.11√t,其中t為老化時(shí)間,單位為h,y為垂直IMC的高度,單位為μm。
另外,垂直 IMC為兩層結(jié)構(gòu),外層為Cu6Sn5內(nèi)部為Cu3Sn,但是Cu3Sn先于Cu6Sn5形成。因此,IMC的垂直生長中Cu6Sn5和Cu3Sn的形成順序與水平IMC層中兩種IMC的形成順序相反。老化過程中,IMC沿兩個(gè)方向
5、的生長與老化時(shí)間均呈拋物線關(guān)系,這表明兩個(gè)方向的生長均是由擴(kuò)散主導(dǎo)的。但是,由于相對(duì)較長的擴(kuò)散距離,IMC垂直生長速率明顯低于水平生長速率。
本文還對(duì)由界面IMC層生長引起的焊點(diǎn)體積收縮進(jìn)行了研究。在不同的老化時(shí)間之后,使用納米壓痕系統(tǒng)對(duì)經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的試樣表面的形貌進(jìn)行測(cè)量。通過測(cè)量發(fā)現(xiàn),在175℃老化1132.5h后,焊點(diǎn)的塌陷可以達(dá)到1.2μm。并且,焊點(diǎn)的塌陷與老化時(shí)間在本文的實(shí)驗(yàn)條件下符合Δh=0.031×√t的關(guān)系。
6、由此得到的尺寸變化系數(shù)(焊點(diǎn)塌陷高度與 IMC層的厚度比)為αexperiment=-0.114。假設(shè)Cu6Sn5和Cu3Sn均為各向同性并且致密的結(jié)構(gòu),焊點(diǎn)塌陷的理論值為Δhtotal=-(0.04-0.004x)√t(其中x為由9Cu+Cu6Sn5→5Cu3Sn生成的Cu3Sn的體積占總體積的比例;t為老化時(shí)間,單位為h)。因此,尺寸變化系數(shù)的理論值為αideal=-0.147+0.0147x。通過比較可以得出,焊點(diǎn)塌陷的理論計(jì)算結(jié)
7、果與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果相符合。
焊點(diǎn)中IMC層生長導(dǎo)致的體積收縮極有可能受限于相鄰的焊料和基板,這可能導(dǎo)致焊料/Cu界面殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。因此,老化后,在Sn-1%Cu焊料、界面Cu6Sn5層、界面Cu3Sn層以及Cu基板進(jìn)行控制深度的納米壓痕實(shí)驗(yàn),以研究焊點(diǎn)中殘余應(yīng)力隨老化時(shí)間的演變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示焊料/Cu界面不同部分的應(yīng)力狀態(tài)與實(shí)際位置以及成分有關(guān):(1)老化過程中,Cu3Sn/Cu界面附近的Cu基板中央以及邊緣均處于壓應(yīng)力狀態(tài)
8、,其平均值為560MPa;(2)焊料/Cu6Sn5界面附近的焊料中央部分和邊緣的應(yīng)力為70MPa和90MPa;(3)老化后,界面Cu6Sn5層中的壓應(yīng)力在中央和邊緣分別上升至4GPa和3GPa;(4)相對(duì)地,在老化過程中,Cu3Sn層內(nèi)在中央和邊緣的拉伸應(yīng)力均有上升,分別達(dá)到了1.7GPa和0.5GPa。
從焊點(diǎn)中相鄰兩部分的應(yīng)力-老化時(shí)間(S-t)曲線的對(duì)比結(jié)果中,可以得出:(1)界面 Cu6Sn5層和相鄰的焊料得到的S-t
9、曲線沒有明顯的關(guān)聯(lián);(2)在焊點(diǎn)中央,Cu基板和界面Cu3Sn層內(nèi)的應(yīng)力隨著老化時(shí)間呈相反的趨勢(shì)演變,這表明焊點(diǎn)中央的Cu3Sn層主要受相鄰的Cu基板的約束;(3)焊點(diǎn)邊緣的Cu3Sn層主要由相鄰的Cu6Sn5層約束。
通過搭建蠕變實(shí)驗(yàn)裝置,對(duì)SAC305/Cu焊點(diǎn)的壓蠕變行為進(jìn)行了初步研究。通過研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)壓應(yīng)力為17.8~22.9MPa、溫度為433~463K時(shí),SAC305/Cu焊點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)變?yōu)?.6~1.4%,對(duì)應(yīng)
10、的穩(wěn)態(tài)壓蠕變變形為2.5~5.8μm。在該條件下Sn-1%Cu/Cu焊點(diǎn)穩(wěn)態(tài)蠕變過程中,界面處 IMC層的厚度增加約1μm左右。由于IMC生長引起的高度變化為0.05~0.16μm,占穩(wěn)態(tài)壓蠕變過程中焊點(diǎn)高度下降總量的1~4%。因此,在焊點(diǎn)穩(wěn)態(tài)蠕變過程中,IMC生長伴隨的體積收縮所引起的焊點(diǎn)高度變化對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的焊點(diǎn)蠕變變形總量的影響可以忽略不計(jì)。
通過在FIB制備的Cu6Sn5和Cu3Sn微柱上進(jìn)行微懸臂梁測(cè)試,研究了Sn
11、-1%Cu/Cu界面處的Cu6Sn5層和Cu3Sn層的拉伸斷裂行為。在微懸臂梁測(cè)試中,Cu6Sn5和Cu3Sn微柱在外加載荷條件下一直保持彈性變形,直至斷裂。測(cè)試后,由Cu6Sn5微柱的斷口形貌可知Cu6Sn5的主要斷裂模式為穿晶斷裂和沿晶斷裂。而Cu3Sn微柱的斷裂僅存在沿晶斷裂。IMC微柱斷裂模式的不同主要是由界面Cu6Sn5層和Cu3Sn層的微觀組織結(jié)構(gòu)決定的。
另外,通過Cu/SAC305/Cu焊點(diǎn)的拉伸實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在老
12、化前焊點(diǎn)的斷裂模式為韌性斷裂,斷裂強(qiáng)度為70.8±9.0MPa。當(dāng) IMC顆粒沿焊料晶界處集中時(shí),由于IMC生長伴隨的體積收縮會(huì)引起應(yīng)力和缺陷集中,導(dǎo)致焊點(diǎn)的拉伸強(qiáng)度下降至58.9±6.8MPa。當(dāng)焊點(diǎn)老化81h后,焊點(diǎn)從IMC層中斷裂,并且斷裂強(qiáng)度下降明顯,為57.8±8.4MPa。Cu/SAC305/Cu焊點(diǎn)的斷裂模式和斷裂強(qiáng)度的變化是由于IMC顆粒的特殊分布或者IMC生長伴隨的體積收縮導(dǎo)致IMC層中應(yīng)力和孔洞的積累導(dǎo)致的。通過對(duì)比
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