MEMS封裝中全Cu3Sn焊點組織演變及剪切性能

梁曉波，黃漫國，劉德峰，高云端，李 欣，張鵬斐

(1.航空工業北京長城航空測控技術研究所，北京 101111；2.狀態監測特種傳感技術航空科技重點實驗室，北京 101111)

隨著微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技術的快速發展，其封裝技術的短板也日益凸顯，MEMS器件的封裝成本占MEMS產品總成本的30%～50%，成為制約MEMS技術進一步發展的瓶頸[1]。尤其是在航空航天等國防領域，MEMS器件一般服役于較為惡劣的環境中，對其封裝技術提出了更高的要求，尤其是需要封裝焊點能夠耐受更高的溫度。基于這種需求，學者們提出了一種全金屬間化合物(Intermetallic Compound，IMC)焊點[2]。

IMC焊點與傳統有釬料剩余焊點相比具有更好的抗電遷移性能[3-4]。同釬料相比，IMC具有更高的熔點，所以可以承受后封裝過程中再流焊溫度，減少熱失配的產生，還可以在高溫下進行服役[5]，更加適用于航空航天等國防領域，例如MEMS壓力傳感器和加速度傳感器的封裝。在全IMC焊點制備中常見的體系有Cu-Sn、Cu-In、Ag-Sn和Ag-In[6-9]。因為Cu、Sn具有常見性以及良好的經濟性，所以在MEMS封裝中的使用較為普遍。

近年來，不少學者對全IMC焊點進行了研究[10-21]。通過分析，其研究方向主要集中于工藝適應性的定性評價，對全IMC焊點形成過程中組織演變的研究僅有個別文獻初步涉及，同時對全IMC焊點力學性能的研究相對較少，大多研究主要集中于在相同的加載速率下對焊點進行剪切性能研究，并且沒有關于組織對剪切性能的影響的深入研究，對斷口形貌也只是進行了有限的分析。利用電鍍的方法在Cu基板上沉積ms級別的Sn層，組成Cu/Sn+Sn/Cu的三明治結構對其進行低溫鍵合，分析全Cu3Sn焊點形成過程中組織演變的規律。然后對不同組織的Cu-Sn焊點進行了剪切試驗，通過分析焊點斷口形貌，總結了焊點組織對剪切性能的影響。最后在不同加載速率下對全Cu3Sn焊點進行了剪切試驗，通過觀察并分析焊點斷口形貌，探究了不同加載速率對焊點抗剪切性能的影響，并得到不同加載速率下焊點的失效機理。

1 試驗材料與方法

1.1 Sn層的制備

首先采用在Cu基體表面電鍍4 μm的Sn層。鍍層截面金相圖、表面形貌掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)圖像和原子力顯微鏡(Atomic Force Microsscope,AFM)圖像如圖1所示。從圖1中可以看出，鍍層表面晶粒分布較為均勻致密，表面粗糙度僅為92 nm，沒有明顯的缺陷，有利于后續的鍵合。

圖1 鍍錫層的微觀結構

1.2 Cu-Sn焊點的制備

每兩個電鍍有Sn層的Cu基體組成一個Cu/Sn+Sn/Cu結構，分別選擇300 ℃和1 N作為鍵合溫度和鍵合壓力，然后在不同的鍵合時間下(30 min、90 min、150 min、180 min)制備焊點并分別對不同時間的焊點進行灌注制樣，先后經過600#、800#、1000#、1500#、2000#、3000#水砂紙拋磨后再用顆粒度為1 μm的金剛石拋光膏進行拋光獲得表面光滑的焊點截面及金相照片。

1.3 Cu-Sn焊點剪切試驗

采用超高精度動靜態微力試驗機對焊點進行剪切性能的測試，加載模式為位移控制，每個試驗條件下進行5組重復試驗，以獲得可靠的實驗數據及斷口形貌。對全Cu3Sn焊點分別在0.001 mm/s、0.01 mm/s、0.1 mm/s、1 mm/s下進行試驗，分析加載速率對焊點斷裂模式及斷口形貌的影響規律。

2 實驗結果及分析

2.1 Cu-Sn焊點組織演變

圖2是鍵合10～30 min焊點截面組織形貌SEM圖像和X射線的能量色散分析(EDAX)圖像。從圖2(a)中可以看出，鍵合30 min后，在Cu基板和釬料Sn之間便形成扇貝狀的Cu6Sn5，并且在Cu6Sn5與Cu基板之間有一層較薄的Cu3Sn相生成。隨著鍵合時間的增加，Cu6Sn5相和Cu3Sn相均在增加。Cu6Sn5相和Cu3Sn相是由式(1)和式(2)的化學反應生成，所以IMC的生長由吉布斯自由能的改變來控制[22-25]。

6Cu+5Sn→Cu6Sn5

(1)

9Cu+Cu6Sn5→5Cu3Sn

(2)

為了在短時間內具有最大的自由能改變，每一個化學反應都需要較高的自由能改變率。自由能的改變率ΔG定義為

(3)

由圖2(a)可以看出，每2個Cu6Sn5扇貝之間都會有一些通道，這種通道的存在使得來自于銅基板的Cu原子更加容易進入液態Sn中。相信這種扇貝狀的結構使得反應具有了最大的自由能改變率，也就是說此時Cu6Sn5以扇貝狀的形貌生長比平面狀具有更大的自由能改變率，所以在圖2(a)中Cu6Sn5是以扇貝狀的形貌生長的。

圖2 在鍵合溫度300 ℃和壓力1 N下，不同鍵合時間的焊點形貌和能譜圖

另一方面，可以發現Cu/Cu3Sn界面相對較為平整，原因在于Cu3Sn是由Cu原子和Cu6Sn5通過固態擴散反應得到的，由Gibbs-Thomson效應導致的原子擴散率較低，所以導致Cu/Cu3Sn界面較為平整。由圖2還可以看出隨著鍵合時間的增加，Cu3Sn的生長速率比Cu6Sn5慢很多，這是由于在Cu/Sn固液反應時，Cu原子溶解進液態Sn中所需的激活能較低，而平面狀Cu3Sn的生長則需要較高的激活能，所以Cu3Sn的生長相對較慢。觀察圖2(a)還可以發現，在較大扇貝Cu6Sn5底部的Cu3Sn厚度要比扇貝兩側Cu6Sn5/Cu界面處Cu3Sn相厚，分析認為這是由于Cu向液態Sn中的擴散溶解要先穿過Cu6Sn5層，如果Cu6Sn5層較厚時，也就是在扇貝狀Cu6Sn5晶粒頂部，Cu原子穿過該層速度較慢，會在Cu6Sn5相內到達溶解飽和，在Cu原子濃度較大的Cu側逐漸反應生成Cu3Sn相。然而在Cu6Sn5較薄處，也就是扇貝兩側，Cu原子可以較為輕易地穿過Cu6Sn5層進入液態Sn中，使Cu6Sn5內Cu原子濃度低，與Cu6Sn5反應速度慢，導致生成Cu3Sn的速度也相應較低，所以在圖2(a)中看到了大的扇貝Cu6Sn5底部的Cu3Sn較厚，而兩側的相對較薄。

繼續增加鍵合時間到90 min后，Sn全部被轉化成了IMC，焊點上下兩側扇貝狀的Cu6Sn5不斷長大相互接觸形成一體，Cu3Sn也不斷長大，如圖2(b)所示。隨著鍵合時間的增加Cu3Sn的厚度變得均勻，這是因為隨著鍵合時間增加，Cu6Sn5晶粒逐漸長大，厚度逐漸趨于一致，導致Cu原子通過Cu6Sn5的距離逐漸一致，所以Cu3Sn的厚度也逐漸趨于一致。當鍵合時間增加到150 min時，如圖2(c)所示，Cu6Sn5有所減少，而Cu3Sn不斷長大，說明Cu3Sn是以Cu6Sn5的消耗為代價長大的。當鍵合時間增加到180 min時，焊點中所有的Cu6Sn5全部轉化成了Cu3Sn，形成了全Cu3Sn焊點，如圖2(d)所示。

2.2 全Cu3Sn焊點剪切性能分析

室溫條件下，不同加載速率下全Cu3Sn焊點的抗剪切強度值如圖3所示。其中，剪切力由微力試驗機直接給出，而抗剪切強度為剪切力除以焊點的有效連接面積。通過光學顯微鏡觀察斷口，由光學顯微鏡自帶面積統計軟件對焊點連接的有效面積進行核算。從圖3中可以看出，隨著加載速率的增加，焊點的抗剪切強度值逐漸降低，在0.001 mm/s的加載速率下焊點的抗剪切強度值最大。

圖3 加載速率與全Cu3Sn焊點抗剪切強度的關系

圖4為全Cu3Sn焊點在不同加載速率下的應力-位移曲線。從圖4中可以看出，加載速率的變化對全Cu3Sn焊點的抗剪切強度有顯著的影響，焊點失效時所加載位移在0.6～1.5 mm之間變化。

圖4 不同加載速率下全Cu3Sn焊點的應力-位移曲線

在不同加載速率下全Cu3Sn焊點剪切性能表現出很明顯的差異，隨著加載速率的增大，焊點的抗剪切強度顯著降低。圖5為不同加載速率下全Cu3Sn焊點的剪切斷口宏觀形貌。從圖5中可以看出，在不同的加載速率下焊點的剪切斷口形貌均由顏色較深的A和顏色較淺的B兩部分構成。分別對A、B形貌在SEM下進行放大，如圖6所示。

圖5 不同加載速率下全Cu3Sn焊點的剪切斷口宏觀形貌

圖6是掃描電鏡下觀察到的焊點的A、B部分斷口形貌。圖6(a)和圖6(b)是A部分斷口的SEM圖像，可以看出斷口呈現出不同程度的晶粒多面體外形的巖石狀花樣，晶粒比較明顯，且立體感較強，這是典型的沿晶斷裂斷口形貌，所以A部分斷裂模式為沿晶斷裂。在全Cu3Sn焊點形成過程中，焊點上下兩側Cu3Sn相互接觸時會在焊點中間形成一條晶界線，這是全Cu3Sn焊點的薄弱環節，在剪切力的作用下焊點沿著這條晶界線發生沿晶斷裂。所以A部分就是沿著這條晶界線發生斷裂時形成的斷口形貌。圖6(c)和圖6(b)是B部分斷口的SEM圖像，可以看出被破壞的Cu3Sn晶粒散列分布在斷口中，分析認為這是由于在剪切力的作用下，Cu3Sn晶粒遭到破壞最終散列分布在斷口表面，所以B部分的斷裂模式屬于Cu3Sn晶粒內部斷裂。綜上所述，A部分為焊點上下兩側Cu3Sn晶界線處的沿晶斷裂，B部分為Cu3Sn內部斷裂。

圖6 A、B區域SEM圖

采用Photoshop圖像處理軟件對圖5中不同加載速率下A、B區域分別進行提取，利用像素比例計算出A、B各占的比例大小，如圖7所示。由圖7可以看出，在0.001 mm/s的加載速率下，沿晶斷裂模式占比51.97%，此時焊點的斷裂由焊點上下兩側Cu3Sn界面線處的沿晶斷裂和Cu3Sn內部斷裂共同決定。隨著加載速率的增加，沿晶斷裂模式的占比逐漸增加，當加載速率增加到1 mm/s時，沿晶斷裂模式占比已經達到了85.05%，說明此時焊點斷裂主要以沿晶斷裂為主。結合圖3的加載速率與焊點抗剪切強度值的關系，在較低的加載速率下，由于Cu3Sn內部斷裂在焊點斷裂模式中占比相對較多，沿晶斷裂模式占比相對較少，在全Cu3Sn焊點中，焊點兩側Cu3Sn在相互接觸時形成的晶界線是焊點的薄弱環節，其抗剪切強度比Cu3Sn內部斷裂時小很多，所以在較低的加載速率下焊點的抗剪切強度相對較高。隨著加載速率的增加，沿晶斷裂占比越來越多，所以焊點的抗剪切強度越來越小。

圖7 不同加載速率下焊點斷裂模式比例

3 結束語

在鍵合初期Cu/Sn界面便出現平面狀的Cu6Sn5和一層非常薄的Cu3Sn，隨著鍵合時間的增加，Cu6Sn5逐漸變成扇貝狀并不斷長大。當上下兩側Cu6Sn5接觸時，Sn完全被消耗。繼續增加鍵合時間，Cu3Sn以Cu6Sn5的消耗為代價不斷長大，最終全部轉變成Cu3Sn。

隨著加載速率的增加，全Cu3Sn焊點的抗剪切強度值逐漸減小，這是由于隨著加載速率的增加，焊點兩側Cu3Sn界面處的沿晶斷裂占焊點斷裂模式的比例越來越大，而這種沿晶斷裂的抗剪切能力較小，所以焊點的抗剪切強度隨著加載速率的增加而下降。