Sn-Ag系無鉛焊料與單晶銅的界面反應.pdf

1、隨著高密度的電子封裝技術快速發(fā)展，焊點的尺寸和互連高度不斷減小，界面反應和界面微觀結(jié)構(gòu)對焊點性能的影響越來越大，對焊點的可靠性提出了新的要求。另一方面，Sn-Ag系合金焊料被認為是迄今為止封裝行業(yè)中最理想的無鉛焊料。但是，Sn-Ag二元合金相比于傳統(tǒng)錫鉛焊料，在潤濕性和熔點上仍有一定差距。通過加入其它元素的方式能夠提高 S n-Ag合金的性能，其中最具有發(fā)展前景的是 S nAgZn和S nAgC u合金。
　　本文選取了S n-3

2、.5Ag-0.7C u、S n-2Ag-2.5Z n、S n-2Ag-4Zn作為焊料合金，利用單晶銅作為基體，采用等溫時效的方法，對不同焊料和銅單晶的界面反應進行研究，得出金屬間化合物(Intermetallic Compound，IMC)的分析結(jié)果，及其生長動力學隨基體取向和焊料組分的變化規(guī)律；此外，本文還探討了互連高度對焊點IMC生長的影響。
　　研究表明：S n-3.5Ag-0.7C u/C u焊點在回流過程中，界面處形成C

3、u6Sn5金屬間化合物，單晶銅表面銅原子的溶解速率更快，在靠近銅一側(cè)的焊料中形成銅濃度較高的區(qū)域，生成的C u6 Sn5層厚度要比多晶銅的更大。(111)晶面銅單晶上的Cu6Sn5呈棱柱狀分布，具備一定的擇優(yōu)取向。隨著回流溫度的升高，(111)晶面銅單晶上的Cu6 Sn5逐步從扇貝狀向棱柱狀變化。在老化的過程當中，界面金屬間化合物層的厚度持續(xù)增大，IMC形貌變得平整，在Cu6 Sn5層和銅基板之間出現(xiàn)Cu3Sn層，單晶銅上Cu3Sn的生

4、長速率大于多晶銅上Cu3 Sn的生長速率，相反地，單晶銅上Cu6Sn5的生長速率小于多晶銅上Cu6Sn5的生長速率。
　　S n-2Ag-2.5Zn/C u焊點在回流過程中界面形成一層連續(xù)的扇貝狀Cu6Sn5，單晶銅表面形成Cu6 Sn5晶粒尺寸要比多晶銅的大。當采用含Zn量較高的Sn-2Ag-4Zn焊料進行焊接時，界面形成Cu5Zn8和Cu6 Sn5雙層結(jié)構(gòu)。時效過程中，Cu5 Zn8不穩(wěn)定，發(fā)生破碎，焊料與銅基板直接接觸造成C

5、u6Sn5快速生長。
　　互連高度對于 Cu/SnAgCu/Cu的界面反應有一定影響。在回流過程中，隨著互連高度的減小，界面IMC的厚度減小。對于10μm焊點，當時效時間達到384 h，上下界面的IMC相互接觸，焊料層消耗完全，Cu6Sn5停止生長。Cu/SnAgCu/Cu焊點的上下界面IMC具有不同生長速率，(111)銅上的Cu3 Sn的生長速率要遠大于多晶銅上Cu3Sn的生長速率。主要原因是(111)銅上形成的Cu3 Sn晶粒