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(diǎn)內(nèi)所占的比重越來(lái)越大。焊點(diǎn)連接處的界面行為對(duì)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(diǎn)的界面行為研究還存在很多疑問(wèn)。另外，EP Cu會(huì)引入雜

2、質(zhì)，其不但會(huì)影響焊點(diǎn)的界面行為，而且還會(huì)帶來(lái)環(huán)境的問(wèn)題。于是潔凈、環(huán)保的制備焊盤的方法越來(lái)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(duì)三種Cu焊盤焊點(diǎn)（Sn/HP Cu，Sn/EP Cu，Sn/VS Cu）的界面行為進(jìn)行研究。揭示了焊盤的微觀組織對(duì)界面IMCs的形貌、織構(gòu)演變、粗化行為、生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)以及柯肯達(dá)爾空洞（KV）行為的影響。同時(shí)對(duì)界面處焊盤溶

3、解的微觀機(jī)制進(jìn)行探討。本課題的研究結(jié)果對(duì)電子封裝在焊盤的選取和提高焊點(diǎn)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(duì)界面金屬間化合物的形核和生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)主要受晶界擴(kuò)散控制而后期受體擴(kuò)散控制，但是Cu3Sn的生長(zhǎng)一直受體擴(kuò)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(zhǎng)，但它們的生長(zhǎng)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(dá)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(gè)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(xì)，導(dǎo)致Sn/Cu界面的不平衡擴(kuò)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(huì)促進(jìn)KV的生長(zhǎng)，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(chǔ)著大量晶界能，其中部分能量會(huì)在界面反應(yīng)過(guò)程中釋放并被引入界面，從而促進(jìn)KV的形成。
　　4.采用基于密度泛函理論分子動(dòng)力學(xué)方法，考慮電場(chǎng)強(qiáng)度（F）和Sn晶粒取向的影響，對(duì)M/Sn（M=Ni，Cu，Ag，Au

7、 or In)焊點(diǎn)中M原子的擴(kuò)散引起界面處焊盤溶解的機(jī)制進(jìn)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(kuò)散勢(shì)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(kuò)散勢(shì)壘Epe會(huì)逐漸增加；（iii）電場(chǎng)強(qiáng)度的增加加劇了M與Sn間的電荷Q轉(zhuǎn)移和再分配，進(jìn)而減小M原子的擴(kuò)散勢(shì)壘Epe