微焊點(diǎn)界面的柯肯達(dá)爾孔洞生長(zhǎng)及其抑制研究.pdf

1、隨著微電子工業(yè)的不斷進(jìn)步，消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品向小尺寸、高性能方向迅猛發(fā)展，從而對(duì)焊點(diǎn)可靠性提出了更高的要求。焊接和服役過(guò)程中的界面固態(tài)擴(kuò)散反應(yīng)會(huì)對(duì)焊點(diǎn)的微觀組織產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而決定了焊點(diǎn)可靠性?？驴线_(dá)爾(Kirkendall)孔洞是電子器件在較高的單位體積散熱量的情況下由于Cu-Sn熱擴(kuò)散差異產(chǎn)生的潛在的可靠性風(fēng)險(xiǎn)形式之一。金屬間化合物(Intermetallic Compound，IMC)內(nèi)部產(chǎn)生的Kirkendall孔洞會(huì)降低焊點(diǎn)的機(jī)

2、械性能，將危害焊點(diǎn)的電氣連接性能。
　　 本文研究了影響焊點(diǎn)IMC中Kirkendall孔洞生長(zhǎng)的各種因素和Kirkendall孔洞對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響。試驗(yàn)中采用Sn3.0Ag0.5Cu、Sn、Sn3.5Ag和Sn37Pb四種不同類(lèi)型的焊料連接不同的Cu和Ni塊體，制備不同互連結(jié)構(gòu)的焊點(diǎn)。主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　 研究了時(shí)效老化(老化溫度和老化時(shí)間)對(duì)Kirkendall孔洞形成的影響，發(fā)現(xiàn)Kirkendall孔洞一般出

3、現(xiàn)在Cu3Sn內(nèi)部靠近Cu基板的區(qū)域；焊點(diǎn)中Kirkendall孔洞的密度隨著老化溫度和時(shí)間的增大而增多。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方程曲線(xiàn)擬合得到Kirkendall孔洞占焊點(diǎn)界面比值的經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)這個(gè)該公式可以判斷在一定溫度下得到確定孔洞面積比率所需的時(shí)間，預(yù)測(cè)元件的壽命。
　　 研究了基板材料、材質(zhì)和焊料合金對(duì)Kirkendall孔洞的形成的影響?；宀牧稀⒉馁|(zhì)包括Cu的材質(zhì)(電鍍Cu、多晶Cu和單晶Cu)和Ni的材質(zhì)(純Ni、

4、電鍍Ni和化學(xué)鍍Ni)。
　　 研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于無(wú)鉛焊料Sn3.0Ag0.5Cu、Sn和Sn37Pb焊料，老化后的電鍍Cu基板和多晶Cu基板焊點(diǎn)中的Cu3Sn金屬間化合物中都產(chǎn)生了Kirkendall孔洞，而相同老化條件下，單晶Cu基板焊點(diǎn)中未發(fā)現(xiàn)Kirkendall孔洞。這是因?yàn)镃u層的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)影響Cu3Sn層的晶粒結(jié)構(gòu)，而Cu3Sn層的晶粒結(jié)構(gòu)決定了Cu和Sn在其內(nèi)部的互擴(kuò)散速率的差異，這種差異便是Kirkendall孔洞的形

5、成機(jī)制。最后的研究表明Cu層的晶粒越大，晶界越少，Cu3Sn中形成的Kirkendall孔洞就會(huì)越少。
　　 對(duì)于SnAgCu焊料來(lái)說(shuō)，老化后的焊點(diǎn)界面IMC中Ni-Sn-P層的出現(xiàn)造成了少量Kirkendall孔洞的形成，但是孔洞情況沒(méi)有電鍍Cu焊盤(pán)嚴(yán)重。而一般純Ni和電鍍Ni焊盤(pán)不會(huì)產(chǎn)生Kirkendall孔洞。因此，Ni-Sn-P層是形成Kirkendall孔洞的關(guān)鍵，Ni-Sn-P層向外擴(kuò)散出的Sn遠(yuǎn)多于向內(nèi)擴(kuò)散進(jìn)入的S

6、n通量，導(dǎo)致了Kirkendall孔洞的形成。
　　 Cu/SAC305/Cu互連結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)中，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，IMC(Cu6Sn5和Cu3Sn)不斷的長(zhǎng)大，并且隨著Cu3Sn中的Kirkendall孔洞密度不斷的增長(zhǎng)，焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度不斷降低。焊點(diǎn)界面中IMC內(nèi)部的Kirkendall孔洞的存在將降低金屬間化合物的強(qiáng)度，并且孔洞數(shù)量越多，焊點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度降低得越大。焊點(diǎn)斷裂模式會(huì)隨著老化發(fā)生轉(zhuǎn)變：由于焊料弱化了界面，回流或者短時(shí)