激光重熔微小接頭中金錫化合物的演化及抑制.pdf

1、UBM(Under Bump Metallization)及各種焊盤表面的Au鍍層會與Sn發(fā)生反應生成脆性的Au-Sn化合物。隨著接頭尺寸減小，Au在釬焊接頭中的含量會大比例增加。此外，在MEMS(Micro Electromechanical System)、光電子、微傳感器件及微波器件中，Au有時被直接用作焊接層。Au-Sn化合物的生長和形貌將對接頭的性能和可靠性產(chǎn)生決定性影響，而激光加熱的特點決定用該方法得到接頭內(nèi)部Au-Sn化合

2、物的生長和形貌十分特殊。
　　本文采用分別鍍有不同厚度(0.1、0.5、0.9和4.0微米)Au層的焊盤，直徑為120微米的Sn-3.5Ag-0.75Cu、Sn-2.0Ag-0.75Cu-3.0Bi和Sn-37Pb釬料球，研究激光重熔微小接頭中Au含量對釬料合金與焊盤界面處Au-Sn化合物生長和演變的影響。結(jié)果表明，在老化過程中接頭中的針狀或?qū)悠瑺畹腁uSn4化合物均會發(fā)生粗化，并在界面處生成層狀化合物，AuSn4化合物層厚度隨著

3、接頭中Au含量的增加而增長。此外，還研究了焊盤表面鍍有4.0微米厚Au層接頭在老化過程中界面處AuSn4化合物反應動力學。結(jié)果表明，釬料合金成分對Au-Sn化合物的生長和演變速度影響巨大。Sn-3.5Ag-0.75Cu、Sn-2.0Ag-0.75Cu-3.0Bi和Sn-37Pb接頭中AuSn4化合物的生長激活能分別為153.0、20.1和77.8kJ/mol。
　　對激光重熔微小接頭在老化過程中出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象的機理進行研究，發(fā)現(xiàn)釬料

4、合金中的Sn向微小接頭邊緣處富Au的Au-Sn化合物和剩余的Au層擴散，并發(fā)生反應，導致接頭邊緣處釬料合金中的Sn大量被消耗是塌陷現(xiàn)象產(chǎn)生的直接原因。隨著Au層厚度的增長和Au在接頭中所占比例的增加，Au-Sn反應會持續(xù)進行下去，塌陷現(xiàn)象將變得更為嚴重。而焊盤表面鍍有較薄(0.1微米)Au層的接頭，在重熔時Au即已經(jīng)全部溶解進入接頭，釬料與底層的Ni進行連接。在老化過程中，僅有Au-Sn化合物向Ni層的沉積，而沒有Sn大量被消耗，不出現(xiàn)

5、塌陷現(xiàn)象。
　　在Sn基合金中添加不同含量的Pb、Bi、Sb、Ag、Cu和Zn合金元素，研究合金元素對激光重熔接頭界面處Au-Sn化合物和相生長和演變的影響，發(fā)現(xiàn)Pb和Bi元素會促進Au-Sn化合物的生長，增加Pb和Bi元素含量，Au-Sn化合物的生長速度隨之提高；Sb元素會促進Au-Sn化合物的生長，但如果增加較多的Sb元素，其對Au-Sn化合物生長的促進效果反而有所減弱；Ag元素會對Au-Sn化合物的生長具有抑制作用，但隨著A

6、g含量的增多，其對Au-Sn化合物生長抑制的效果并沒有發(fā)生疊加。Cu和Zn元素的作用機制與以上元素不同，Cu元素會與Sn和Au元素發(fā)生作用生成Sn-Cu-Au三元相取代界面處的AuSn4化合物；Zn元素則會與Au作用生成Zn-Au和Zn-Au-Sn相。增加Cu和Zn元素的含量對Au-Sn化合物生長的抑制效果更為顯著。
　　以八面體簇模型，采用相對論DV-Xα法計算合金元素對Au與Sn相互作用的影響，從原子軌道相互作用強弱變化的角度