微量Ni對Sn/Cu界面組織形貌及柯氏孔洞形成的影響

蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系(215104)

楊 揚(yáng) 溫貽芳

上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院(200240)

余 春

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微量Ni對Sn/Cu界面組織形貌及柯氏孔洞形成的影響

蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系(215104)

楊 揚(yáng) 溫貽芳

上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院(200240)

余 春

通過對反應(yīng)界面微觀組織形貌的表征分析，系統(tǒng)研究了熱老化條件下微量Ni元素對SnxNi/Cu(x的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，0.05%，0.10%)的界面組織形貌演變及柯肯達(dá)爾孔洞形成的影響。結(jié)果表明，相對于Sn/Cu界面，添加的Ni元素大幅加速了SnxNi/Cu界面(Cu，Ni)6Sn5層的生長，但顯著阻緩了(Cu，Ni)3Sn層的形成，有效抑制了柯肯達(dá)爾孔洞的形成。(Cu，Ni)6Sn5層由多層細(xì)小晶粒組成，這種多晶界結(jié)構(gòu)有利于界面組分元素的互擴(kuò)散，可緩解Cu和Sn的不平衡擴(kuò)散；薄的(Cu，Ni)3Sn層限制了孔洞的形成空間，從而進(jìn)一步抑制孔洞的形成。

界面 柯肯達(dá)爾孔洞 合金元素 金屬間化合物

0 序 言

倒裝焊芯片互連技術(shù)(Flip-Chip)已成為高端器件及高密度封裝領(lǐng)域中經(jīng)常采用的一種封裝技術(shù)。隨著電子產(chǎn)品的微型化和多功能化，芯片內(nèi)部焊點(diǎn)的尺寸也越來越小，而焊點(diǎn)反應(yīng)界面所占的比例卻越來越大。故此，界面處形成的柯肯達(dá)爾孔洞對焊點(diǎn)可靠性的危害愈來愈不容忽視[1-2]。

在對焊點(diǎn)的熱老化測試中，Sn基釬料與Cu焊盤的反應(yīng)界面處會(huì)形成Cu6Sn5和Cu3Sn金屬間化合物層，柯肯達(dá)爾孔洞常伴隨Cu3Sn層的形成而出現(xiàn)。國內(nèi)外科研工作者常采用添加合金元素的方法來抑制焊點(diǎn)反應(yīng)界面處柯肯達(dá)爾孔洞的形成，常見合金元素有Cu[3]，Ag，Ni，Zn[4]，F(xiàn)e[5]等。

研究者們常將Ni元素加入二元或多元系Sn基釬料內(nèi)(如Sn-Ag和Sn-Ag-Cu)，以研究其對焊點(diǎn)反應(yīng)界面處金屬間化合物層和柯肯達(dá)爾孔洞的影響[6-7]。然而，釬料內(nèi)的Ag和Cu元素本身對柯肯達(dá)爾孔洞的形成就有一定影響，這將會(huì)對研究Ni元素的作用造成一定干擾。故文中將微量Ni元素加入純Sn釬料中，專門研究其對界面組織形貌和柯肯達(dá)爾孔洞的影響，以期獲得Ni元素的作用機(jī)制，從而在一定程度上對工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所采用材料及其純度見表1。SnxNi(x的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%，0.1%)釬料由錫粒和鎳絲熔煉而成。基板由銅箔(厚度0.1 mm)及沉積在其表面的電鍍銅層(厚度10 μm)構(gòu)成。

表1 試驗(yàn)材料

1.2 試驗(yàn)方法

將Sn或SnxNi釬料顆粒置于基板(10 mm×10 mm)中心，并在表面涂覆助焊劑，然后放入回流爐中進(jìn)行焊接，獲得SnxNi/Cu接頭。預(yù)熱階段溫度為200 ℃，最高回流溫度為260 ℃，然后在180 ℃下對焊態(tài)試樣進(jìn)行熱老化處理，具體方案見表2。

表2 試驗(yàn)方案

試樣制備完畢后，采用環(huán)氧樹脂及固化劑將其冷鑲，并對其截面進(jìn)行研磨和拋光處理。利用SEM的背散射電子成像技術(shù)(BSE)對反應(yīng)界面的微觀組織進(jìn)行表征。為觀察金屬間化合物層頂部形貌，采用體積分?jǐn)?shù)為13%的HNO3水溶液腐蝕掉試樣頂部釬料。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1為經(jīng)180 ℃熱老化處理的Sn/Cu界面微觀組織形貌。圖1a為回流態(tài)Sn/Cu界面組織形貌，界面處形成了一層較薄的扇貝形Cu6Sn5，厚度約為2.1 μm，沒有產(chǎn)生柯肯達(dá)爾孔洞。經(jīng)180 ℃熱老化處理24 h后，Cu6Sn5層與Cu基板之間形成了Cu3Sn層，并在Cu3Sn層內(nèi)生成少量孔洞，如圖1b所示。處理72 h后，Cu3Sn層厚度增加，在其層內(nèi)及Cu3Sn/Cu界面出現(xiàn)大量孔洞，并且越靠近基板一側(cè)，Cu3Sn層中孔洞的密度越大，如圖1c所示。處理168 h后，界面金屬間化和物層厚度增加，而孔洞密度無顯著變化，如圖1d所示。

圖1 經(jīng)180 ℃熱老化處理的Sn/Cu界面 微觀組織形貌

與回流態(tài)Sn/Cu界面的組織形貌差異很大，Sn0.05Ni/Cu界面形成了多層(Cu，Ni)6Sn5小晶粒，結(jié)構(gòu)疏松，晶粒間還存在許多未反應(yīng)的釬料；越靠近釬料一側(cè)，結(jié)構(gòu)越疏松；(Cu，Ni)6Sn5層的厚度大幅增加，約為7.8 μm，如圖2a所示。經(jīng)180 ℃熱老化處理24 h后，(Cu，Ni)6Sn5/Cu界面形成(Cu，Ni)3Sn薄層，沒有柯肯達(dá)爾孔洞生成；(Cu，Ni)6Sn5層增厚，但仍比較疏松，如圖2b所示。處理168 h后，(Cu，Ni)3Sn層變厚，其層內(nèi)和(Cu，Ni)3Sn/Cu界面出現(xiàn)少量孔洞，(Cu，Ni)6Sn5層逐漸變得致密，如圖2c所示。回流態(tài)Sn0.1Ni/Cu界面的組織形貌與Sn0.05Ni/Cu界面相似，但其(Cu，Ni)6Sn5層較為致密，如圖3a所示。處理24 h后，界面出現(xiàn)(Cu，Ni)3Sn層，如圖3b所示。168 h后，(Cu，Ni)3Sn層內(nèi)和(Cu，Ni)3Sn/Cu界面也形成少量柯肯達(dá)爾孔洞，(Cu，Ni)6Sn5層的局部區(qū)域發(fā)生了剝落，可以觀察到(Cu，Ni)6Sn5由多層緊密排布的小晶粒組成，如圖3c所示。

圖2 經(jīng)180 ℃熱老化處理的Sn0.05Ni/Cu 界面微觀組織形貌

圖3 經(jīng)180 ℃熱老化處理的Sn0.1Ni/Cu界面微觀組織形貌

3 討 論

由上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，向Sn釬料內(nèi)加入微量的Ni元素會(huì)在很大程度上改變反應(yīng)界面的組織形貌：①SnxNi/Cu界面金屬間化合物層的總厚度大幅增加，約為Sn/Cu界面的2～3倍，見表3；②界面處(Cu，Ni)6Sn5層由多層細(xì)小晶粒組成，隨著熱老化處理時(shí)間的延長，化合物層組織由疏松逐漸變得致密，而Sn/Cu界面的Cu6Sn5層為單層致密結(jié)構(gòu)，層內(nèi)晶粒尺寸遠(yuǎn)大于(Cu，Ni)6Sn5層內(nèi)晶粒(圖4)；③SnxNi/Cu界面(Cu，Ni)3Sn層的生長受到明顯抑制，其厚度僅為Sn/Cu界面Cu3Sn層的1/2左右；④相對于Sn/Cu界面，SnxNi/Cu界面柯肯達(dá)爾孔洞的形成周期較長，且其數(shù)量和尺寸大幅減小。

表3 SnxNi/Cu界面IMC層的厚度 μm

圖4 Sn/Cu界面Cu6Sn5層頂部形貌(180 ℃，72 h)

界面反應(yīng)過程中，(Cu，Ni)6Sn5層疏松的多層細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)有利于Cu和Sn元素的互擴(kuò)散，促進(jìn)了界面反應(yīng)和(Cu，Ni)6Sn5層的生長，但抑制了富銅相(Cu，Ni)3Sn的生成。

焊點(diǎn)反應(yīng)界面處柯肯達(dá)爾孔洞形成的本質(zhì)是組分元素Cu從基板向釬料一側(cè)的擴(kuò)散速度大于Sn從釬料向基板一側(cè)，為不平衡擴(kuò)散，可為界面孔洞的形核生長提供空位，擴(kuò)散形式可表示為：

Jv+JSn=JCu

(1)

式中：JCu，JSn和Jv分別為反應(yīng)界面Cu，Sn和空位的擴(kuò)散通量，并且Cu基板電鍍層內(nèi)含有雜質(zhì)[8]，會(huì)降低反應(yīng)界面的孔洞形核能，有利于柯肯達(dá)爾孔洞的形核生長。

在SnxNi/Cu界面處，(Cu，Ni)6Sn5層的疏松結(jié)構(gòu)緩解了Cu和Sn的不平衡擴(kuò)散，減少了空位供給，這在一定程度上抑制了孔洞的形成。此外，界面柯肯達(dá)爾孔洞常伴隨(Cu，Ni)3Sn相的形成而出現(xiàn)，微量Ni元素的加入會(huì)顯著抑制(Cu，Ni)3Sn的生長，從而限制孔洞的形成空間。

故此，Ni元素與Cu，Zn等元素的作用機(jī)制不同，前者采用“疏導(dǎo)”界面互擴(kuò)散的方式來抑制孔洞形核生長，而后者通過抑制界面互擴(kuò)散，來阻緩Cu3Sn層的生長和柯肯達(dá)爾孔洞的形成。

4 結(jié) 論

(1)SnxNi/Cu界面(Cu，Ni)6Sn5層的厚度大幅增加，但(Cu，Ni)3Sn層的生長受到明顯抑制；(Cu，Ni)6Sn5層由多層小晶粒組成，這種多晶界結(jié)構(gòu)有利于界面組分元素Cu和Sn的互擴(kuò)散。

(2)與Sn/Cu焊點(diǎn)相比，SnxNi/Cu焊點(diǎn)中(Cu，Ni)3Sn層和(Cu，Ni)3Sn/Cu界面處柯肯達(dá)爾孔洞的數(shù)量和尺寸大幅減小。

(3)微量Ni元素緩解了界面Cu和Sn的不平衡擴(kuò)散，減少了空位供給；抑制了(Cu，Ni)3Sn層的生長，限制了孔洞的形成空間，從而顯著抑制了柯肯達(dá)爾孔洞的形核生長。

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2016-03-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51105251)；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20161228)。

TG425+.1

楊 揚(yáng)，1982年出生，博士，講師。主要從事微電子互連、機(jī)器人焊接方面的研究，已發(fā)表論文10余篇。