界面Ni3Sn4微觀形貌演變對微焊點力學性能的影響

邱超，蘇鵬，秦建峰, 馬玉琳，任寧

(1.河南工業大學，鄭州 450001；2.河南中光學集團有限公司，河南 南陽 473004)

0 前言

隨著電子產品及封裝器件不斷朝著微型化和高密度化的方向發展，三維(3D)硅通孔(TSV)封裝技術已成為封裝產業研究的重點[1-2]。微焊點是3D-TSV封裝的重要互連技術之一。伴隨著3D-TSV封裝密度的不斷攀升，微焊點的尺寸將從目前的100 μm縮減至20 μm以下[3-4]。這會導致微焊點微觀形貌結構發生顯著改變，直接影響微焊點的力學可靠性[5-6]。一般情況下，在Sn基釬料與Cu基板間形成的金屬間化合物(IMC)層是焊點良好冶金結合的標志[7]。然而，微焊點尺寸的減少會導致IMC在微焊點中所占體積比增加。由于IMC與釬料基體有著完全不同的力學性能，其過量生長可能會引起焊點力學性能的顯著變化[8]。因此，研究IMC生長對微焊點力學性能的影響具有重要意義。

近年來，已有大量文獻研究了IMC厚度對焊點力學性能的影響，其中IMC厚度的變化主要通過改變回流溫度或等溫時效時間來實現[9-11]。張春紅等人[9]研究發現隨著回流溫度的升高，Cu6Sn5IMC的厚度增加，但焊點的抗拉強度明顯降低。An等人[11]通過等溫時效研究了IMC厚度對Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊點抗拉強度的影響，結果表明延長時效時間在增加IMC厚度的同時，導致了焊點強度的下降。據張洪武[12]報道，釬料基體在回流和等溫時效條件下極易發生晶粒粗化，而該晶粒粗化會明顯削弱焊點的力學性能。然而，上述研究在探討IMC厚度對焊點力學性能的影響時，忽略了等溫時效過程中釬料基體微觀形貌在演變對焊點力學性能的影響。

當前多數關于IMC對焊點力學性能影響的研究主要集中于Cu/Sn基釬料/Cu互連結構。隨著焊點尺寸的不斷縮小，Ni/Sn/Ni互連結構由于具有界面反應速率較慢，且在低于300 ℃的反應溫度下僅形成唯一的反應產物Ni3Sn4等特點，已成為3D-TSV封裝中很有發展前景的一種互連結構[13-14]。因此，該研究以Ni/Sn/Ni微焊點為研究對象，通過延長回流時間來實現IMC生長的同時，不改變釬料的微觀形貌，以更為準確研究IMC生長對微焊點拉伸力學性能的影響。

1 試驗方法

為實現將IMC生長作為影響焊點拉伸響應的唯一變量，本該研究采用在回流溫度和冷卻速率不變的條件下，通過調整回流時間的方法來制備具有不同IMC厚度的微焊點樣品。同時，設計2步試驗法來確保最終樣品的互連高度均保持為20 μm。首先，利用專門設計的夾具控制Sn層高度，并在250 ℃下保持40 s以獲得初始微焊點樣品。然后，將初始Ni/Sn/Ni微焊點樣品固定在陶瓷塊上，以確保在后續回流過程中微焊點的互連高度保持不變。回流溫度為265 ℃，冷卻速率為2.5 ℃/s，回流時間分別為25 min，50 min，90 min，制備出含不同IMC厚度的微焊點樣品。

回流后將所有樣品分為2組。其中一組被封裝在環氧樹脂中，經機械研磨和拋光后，用于表征IMC層的微觀形貌演變。將另一組樣品安裝在拉伸試驗機上進行拉伸試驗，在恒定的載荷加載速率(0.05 mm/min)下拉斷，并記錄拉斷過程中微焊點所承受的最大載荷。采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察IMC層的厚度和形貌，使用能譜分析儀(EDS)檢測IMC層的元素分布，采用Image-J圖像分析軟件對IMC層的厚度進行測量和計算。圖1 為制備的微互連樣品橫截面圖。

圖1 回流后Ni/Sn/Ni微互連樣品的橫截面

2 結果與討論

2.1 不同回流時間下IMC的微觀形貌演變

圖2為不同回流時間下Ni/Sn/Ni微焊點的橫截面SEM圖。從圖2a可以看出，經過40 s的回流，在Ni/Sn界面上可觀察到薄層棒狀IMC。表1為該IMC層的EDS成分分析(點A和點B處)。由表1可知，該IMC層主要由Ni和Sn 2種元素組成，且Ni與Sn的原子數之比約為0.75，根據 Ni-Sn二元相圖，在300 ℃以下Ni和Sn只形成一種Ni3Sn4IMC，因此界面IMC可確定為Ni3Sn4。當回流時間增加到25 min時，界面Ni3Sn4IMC顯著生長。同時，可以觀察到Ni3Sn4IMC的形貌發生了顯著變化，即棒狀變得更長，且在界面上出現了幾個塊狀Ni3Sn4IMC。這些塊狀IMC應該是由棒狀IMC粗化后轉變而來的。當回流時間達到50 min時，界面Ni3Sn4IMC的總厚度持續增加。通過與圖2b進行對比分析可以看出，此時棒狀Ni3Sn4IMC的厚度幾乎沒有變化，但數量減少。因此，當回流時間為50 min時，微焊點中Ni3Sn4IMC厚度的增加主要歸結為塊狀Ni3Sn4IMC的粗化。這一現象可由Ostwald熟化理論解釋，擴散到界面的Ni原子優先供給粗大的塊狀Ni3Sn4IMC生長。當回流時間增加到90 min時，如圖2d所示，在微焊點的一些位置，不斷粗化的塊狀Ni3Sn4IMC已貫穿整個焊點截面，將2個相對的界面連接起來。最近，有報道稱由該IMC組成的全IMC微焊點具有更好的導電性、導熱性、抗電遷移和抗熱疲勞性能[15]。

圖2 不同回流時間下Ni/Sn/Ni微焊點微觀形貌

表1 Ni/Sn/Ni互連點中IMC的EDS成分(原子分數，%)

由上述分析可得出：塊狀Ni3Sn4IMC在IMC層中所占比例隨著回流時間的增加而增大。該塊狀IMC可能會對微焊點的力學性能產生較大影響，因此為量化不同回流時間下塊狀Ni3Sn4IMC的生長情況，通過圖像處理軟件測量并計算了該塊狀IMC在整個IMC層中的平均面積分數，如圖3所示。可以看出，當回流時間小于25 min時，塊狀Ni3Sn4IMC的面積分數小于10%。隨著回流時間的延長，塊狀Ni3Sn4IMC快速增長，生長率超過25%；當回流時間達到90 min時，面積分數已上升到56.75%。

圖3 不同回流時間下塊狀IMC面積分數

2.2 界面Ni3Sn4 IMC生長對微焊點力學性能的影響

該節主要分析隨著回流時間延長(試驗條件與2.1節相同，時間節點分別為40 s，25 min，50 min及90 min)持續生長的界面Ni3Sn4IMC對微焊點抗拉強度的影響。圖4為界面IMC平均厚度與微焊點抗拉強度之間的關系曲線，由圖4可見，隨著界面Ni3Sn4IMC厚度的增加微焊點的抗拉強度呈現出先下降后上升的變化趨勢。當界面Ni3Sn4IMC厚度由1.7 μm(回流40 s)增至8.1 μm(回流25 min)時，微焊點的抗拉強度下降至最小值75 MPa；隨著IMC厚度繼續增長，微焊點的抗拉強度開始上升，當Ni3Sn4IMC厚度增至17.2 μm(回流90 min)時，微焊點的抗拉強度達到最大值為142 MPa。由圖4可看出，在40 s～25 min內，隨著界面Ni3Sn4IMC厚度的增加微焊點的抗拉強度呈現出下降趨勢，這主要取決于Ni3Sn4微觀形貌的顯著改變。由圖2a和圖2b可見，界面Ni3Sn4由初始時的短棒狀轉變為長棒狀，由于IMC與Sn釬料的強度和彈性模量存在巨大差異，長棒狀Ni3Sn4的尖端會引起嚴重的應力集中，致使其附近區域極易形成裂紋，造成抗拉強度的下降。

圖4 IMC厚度變化與微焊點抗拉強度關系曲線

圖5為微焊點的拉伸斷口形貌，由圖5a和圖5b可見，在40 s和25 min時，微焊點的拉伸斷口全部由韌窩構成，斷裂模式可確定為韌性斷裂。從圖5b中還可以發現，韌窩底部出現一定量露頭的棒狀IMC，由此能夠進一步證實上述抗拉強度降低的推斷。

圖5 不同回流時間下Ni/Sn/Ni樣品拉伸斷口

當IMC厚度增加至8.1 μm(回流25 min)時，微焊點的抗拉強度出現上升趨勢。這一試驗結果與其他研究者的試驗結果存在不同。根據張春紅等人[9-11]報道，Ni3Sn4IMC厚度的增加會顯著造成微焊點抗拉強度的降低，其原因主要歸結為Ni3Sn4IMC的固有脆性屬性[9-11]。然而，相比于Sn釬料，Ni3Sn4IMC具有更高的抗拉強度，如Ni3Sn4的抗拉強度為2.0～5.1 GPa，而Sn基釬料的抗拉強度僅為86.1～96.7 MPa[16-17]。根據據Ho和Kang等人[18-20]報道，由于Ni3Sn4IMC具有極低的斷裂韌性，Ni3Sn4IMC中的孔洞和不同種類Ni3Sn4IMC構成的雙層結構極易引起微焊點的早期脆性斷裂，致使微焊點具有很低的抗拉強度。由此推斷出：隨著微焊點中的IMC厚度超過釬料厚度，含有無孔洞、單相界面Ni3Sn4IMC的微焊點應該表現出更高的抗拉強度。在當前的研究中，在回流25 min后無孔洞的塊狀Ni3Sn4快速地粗化，甚至部分異常長大的塊狀Ni3Sn4已經貫穿整個微焊點，如圖2d所示。此外，在300 ℃條件下液態Sn與固態Ni通過液固反應只形成Ni3Sn4IMC，即在微焊點中只存在一種界面IMC。因此，在Ni3Sn4厚度增加至8.1 μm后，微焊點的抗拉強度開始迅速地增加。其具體原因可總結為：①在微焊點中Ni3Sn4厚度比Sn釬料厚度高，Ni3Sn4IMC主導微焊點的力學性能；②在微焊點界面上只形成唯一的Ni3Sn4IMC，不存在IMC雙層結構；③Ni3Sn4IMC層內部無柯肯達爾孔洞等缺陷；④Ni3Sn4形貌逐漸粗化成塊狀，甚至在部分區域塊狀Ni3Sn4已經貫穿微焊點，其直接決定了微焊點的抗拉強度；⑤Ni3Sn4的抗拉強度遠高于Sn釬料的抗拉強度。

圖5c和圖5d分別為在回流50 min及90 min時(IMC厚度分別12.4 μm和17.2 μm)微焊點的斷口形貌，由圖5可知，斷裂均發生在Ni3Sn4內部，斷裂模式可以確定為脆性斷裂，且可發現在回流90 min后微焊點斷口呈現出更多的大塊狀區域，這進一步證實了上述抗拉強度持續增大的推斷。

3 結論

(1)隨著回流時間的增加，Ni/Sn/Ni微焊點中界面Ni3Sn4的厚度連續增加，且其形貌發生了顯著的演變。在回流時間小于50 min的微焊點中，Ni3Sn4主要呈現出棒狀形貌，且隨著回流時間延長棒狀Ni3Sn4快速變長；當回流時間增加至50 min后，塊狀Ni3Sn4粗化明顯，逐漸取代棒狀Ni3Sn4，成為微焊點的主要Ni3Sn4IMC形貌。

(2)隨回流時間的增加，Ni/Sn/Ni微焊點的抗拉強度呈現出先降低后增加的反常變化趨勢，這主要與Ni3Sn4IMC的微觀形貌轉變有關。當Ni3Sn4IMC由短棒狀轉變為長棒狀后，其凸出尖端會引起嚴重的應力集中，導致微焊點強度下降；隨著塊狀Ni3Sn4形成和增加，微焊點的抗拉強度增加，主要因為大塊狀、無缺陷的Ni3Sn4IMC可增加裂紋生長抗力。

(3)長棒狀Ni3Sn4IMC會對微焊點的力學性能產生不利影響，而內部無孔洞的塊狀Ni3Sn4IMC有利于提高微焊點的力學性能。因此，為提高3D-TSV封裝的可靠性，在Ni/Sn/Ni微焊點的制備過程中，應避免形成長棒狀Ni3Sn4IMC，盡量制備出含塊狀Ni3Sn4IMC的微焊點。