Ni-Sn-Ni焊點界面金屬間化合物的微觀形貌演變研究

趙志豪 李五岳 李國俊 田野

摘 要：【目的】研究Ni-Sn-Ni微焊點在固液反應條件下界面金屬間化合物（Intermetallic Compounds，IMCs）的生長及形貌變化?！痉椒ā坎捎镁軍A具調控的Ni-Sn（20 μm）-Ni作為樣品，通過SEM觀察等溫條件下Ni-Sn-Ni不同時間點橫截面的微觀組織結構，并通過EDX對界面處生成的IMCs進行分析。【結果】在Ni-Sn反應的界面處僅生成一種單相IMCs，為Ni3Sn4，該界面IMCs的生長速度由快變慢最后趨于平緩。此外，界面IMCs的形貌隨時間由針狀轉變為棒狀后再轉變為塊狀?！窘Y論】在Ni-Sn固液反應中，界面IMCs的生長速度及形貌隨鍵合時間的增加發生顯著變化。

關鍵詞：Ni-Sn-Ni微焊點；界面反應；金屬間化合物

中圖分類號：TG454? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1003-5168（2023）10-0088-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.018

Abstract： [Purposes] In this paper， the growth and morphology changes of interfacial intermetallic compounds （IMCs） in Ni-Sn-Ni micro-solder joints under solid-liquid reaction conditions were studied. [Methods] In this experiment， Ni-Sn （20 μm）-Ni regulated by precision fixtures were used as the sample， the microstructure of the cross-section of Ni-Sn-Ni at different time points under isothermal conditions was observed by SEM， and the IMCs generated at the interface were analyzed by EDX. [Findings] Only a single-phase IMCs Ni3Sn4 was formed at the interface of Ni-Sn reaction， and the growthrate of IMCs at the interface changed from fast to slow and finally flattened. In addition， the morphology of interfacial IMCs changes from needle-like to rod-like and then to bulk-like with time. [Conclusions] During the Ni-Sn solid-liquid reaction， the growth rate and morphology of interfacial IMCs changed significantly with the increase in bonding time.

Keywords： Ni-Sn-Ni micro-solder joints; interface reaction; intermetallic compound

0 引言

物聯網、大數據及5G等技術的快速發展要求芯片性能更高、尺寸更小、可靠性更好。而二維封裝已經不能滿足芯片未來發展的需求［1］?；诠柰准夹g的三維封裝技術因具有高集成度、低功耗和高運行速率，將成為未來發展的主流方向［2-3］。

在三維封裝中，隨著芯片不斷向多功能化、微小化的方向發展，導致微焊點的尺寸不斷減小。而微焊點尺寸的減小將直接導致微焊點中金屬間化合物（Intermetallic Compounds，IMCs）的比例顯著增加，進而使IMCs的性能成為影響微焊點性能的決定性因素之一。影響IMCs性能的因素主要有IMCs的材料、IMCs的生長等［4］。Ni通常作為焊盤中的擴散阻擋層，所以在Sn釬料微焊點中常出現Ni-Sn-Ni微互連結構［5］。因此，研究Ni-Sn-Ni焊點界面IMCs的微觀形貌演變具有重要意義。

目前Wang等［6］研究了在280 ℃的鍵合溫度下Ni-Sn-Ni焊點在不同互連高度下的微觀形貌，發現其微觀形貌主要由針狀及塊狀兩種IMCs。華中科技大學的王波等［7］研究了不同互連高度下Cu-Sn-Cu微焊點的微觀組織變化，發現焊點互連高度越低，IMCs生長速度和IMCs比例升高得越快。而關于研究Ni-Sn-Ni微互連結構的相關文獻較少，因此有必要研究Ni-Sn-Ni焊點在互連高度為20 μm下的生長演變過程，進而為倒裝芯片的電子封裝提供更多的理論依據。

本研究通過在等溫條件（265 ℃）下不同時間節點（7 min、21 min、50 min和87 min）的Ni-Sn（20 μm）-Ni微焊點的橫截面SEM，研究了Ni-Sn-Ni結構中IMCs的厚度及微觀形貌，進而得出Ni-Sn-Ni微焊點界面金屬間化合物微觀形貌的演變情況。

1 試驗過程及方法

試驗所用材料為N6級鎳棒（純度99.9%，長度17 mm，直徑1 mm），釬料為Sn片（純度99.9%，規格10 mm×10 mm×0.03 mm）。使用自制的精密夾具將鎳棒的拋光端面對齊并固定，在Sn片上涂抹助焊劑后夾持在兩根鎳棒的中間。隨后旋轉夾具旋鈕控制其互連高度為20 μm。

將制備好的Ni-Sn（20 μm）-Ni微互連結構放進回流爐內回流，在Sn片熔化30 s后取出，使用冷風槍迅速冷卻至室溫，得到互連高度為20 μm的初始回流樣。隨后將制備好的初始回流樣放置在預熱平臺上分別恒溫7 min、21 min、50 min及87 min后取下，用冷水冷卻至室溫。

將冷卻至室溫的不同時間節點的樣品鑲嵌進環氧樹脂中，先使用砂紙磨削，之后依次使用懸浮顆粒為1 μm、0.3 μm、0.05 μm的氧化鋁拋光液進行拋光。在拋光后使用自制腐蝕液（鹽酸體積分數為1%的鹽酸乙醇溶液）對樣品橫截面進行腐蝕，腐蝕時間為5 s。最后采用德國Zeiss公司的Sigma-500型號的掃描電子顯微鏡對微焊點的微觀形貌進行表征，再采用ImageJ對SEM圖進行測量。

2 試驗結果與討論

2.1 回流過程中Ni-Sn-Ni微焊點的微觀組織結構

經過回流工藝后Ni-Sn（20 μm）-Ni初始焊點在SEM下的微觀形貌如圖1所示。由圖1可以看出，在Ni-Sn界面處的IMCs呈棒狀和小塊狀連續均勻分布，通過ImageJ軟件測量后可得Ni-Sn界面兩側IMCs平均厚度分別為0.40 μm和0.42 μm，可以看出Ni-Sn（20 μm）-Ni經過初始回流后在微焊點兩側界面處生成的IMCs非常小，對后續等溫試驗中IMCs的生長幾乎不產生影響。

Ni-Sn界面生成的IMCs的EDX曲線如圖2所示。由圖2可以看出，Ni與Sn的原子比接近3∶4。Ni-Sn二元相如圖3所示，由圖3可知界面處IMCs為Ni3Sn4。本試驗為縮減實際鍵合時間與理論鍵合時間之間的差值，在冷卻階段使用冷風槍對樣品進行快速冷卻，這樣有效避免從預熱平臺上取下后夾具還具備一定的溫度，不會導致Ni-Sn反應繼續進行。

2.2 等溫時效過程Ni-Sn-Ni微焊點的微觀組織結構演變

Ni-Sn-Ni微互連在不同等溫時間下橫截面的SEM如圖4所示。反應時間為7 min時的微觀形貌如圖4（a）所示，由圖4（a）可以看出，在微焊點的兩側形成一層薄薄的IMCs，并且IMCs的形貌大多為針狀。反應時間為21 min時的微觀形貌如圖4（b）所示，由圖4（b）可以看出，此時IMCs的厚度遠大于7 min時IMCs的厚度，此時IMCs的形貌大多為細棒狀，少量的IMCs為小塊狀。反應時間為50 min時的微觀形貌如圖4（c）所示，由圖4（c）可以看出，此時IMCs的厚度大于21 min時IMCs的厚度，此時IMCs的形貌大多為粗棒狀，并且已經出現較大的塊狀IMCs。反應時間為87 min時的微觀形貌如圖4（d）所示，由圖4（d）可以看出，此時IMCs的厚度大于50 min時IMCs的厚度，此時IMCs的形貌大多為塊狀，僅有少量為棒狀IMCs，并且焊縫兩側部分區域的IMCs連接形成一個IMCs。

Ni-Sn-Ni微互連結構中IMCs的平均厚度與時間的曲線如圖5所示。由圖5可以看出，IMCs的厚度在21 min前增加十分迅速，在21 min后IMCs的厚度增加逐漸變緩。

IMCs的厚度增速變化是由于Ni原子進入Sn釬料中的難度不斷增加。首先，當焊縫處的溫度達到Sn釬料的熔點時，Sn釬料由固態轉變為液態。由于在Ni-Sn邊界處存在大量的Ni原子，而在Sn釬料內部卻沒有Ni原子存在，因此在Sn釬料中產生Ni原子的濃度差。濃度差的存在導致Ni原子不斷向液態Sn釬料中擴散，而在界面處由于存在大量的Ni原子與Sn原子，會快速達到過飽和濃度，進而在界面處快速反應生成IMCs。然后，在反應時間為7 min時，IMCs層的底部形成閉合區域，形成Ni-Ni3Sn4-Sn-Ni3Sn4-Ni結構，在Ni原子進入Sn釬料的路徑中增加了薄薄的IMCs層，這導致IMCs厚度的增加速度略微下降。最后，隨著反應的進行，IMCs層底部的閉合區域不斷增厚，這也就導致 IMCs厚度的增加速度不斷下降。

綜上所述，在Ni-Sn反應中主要出現了針狀、棒狀及塊狀三種形貌的IMCs。在反應前期，IMCs生長速度較快并形成以針狀IMCs占據主導的薄IMCs層。隨著反應時間的增加，針狀的IMCs逐漸變粗形成細棒狀IMCs，并在IMCs底端形成閉合區域，使Ni原子進入熔融Sn釬料中的難度增加，導致反應速率下降。在反應后期，IMCs層中的部分棒狀轉變為塊狀，出現了直接連接兩側Ni焊盤的大塊IMCs。

Ni-Sn-Ni焊點的固-液界面反應的IMCs生長速度比Cu-Sn-Cu焊點更慢，因此可以在芯片服役過程中保持可靠更長時間。此外，Ni-Sn-Ni焊點在鍵合溫度為265 ℃下界面反應生成的相是單一的Ni3Sn4相，而Cu-Sn-Cu界面反應容易產生相界裂紋的Cu6Sn5和Cu3Sn雙相。因此，Ni-Sn（20 μm）-Ni微焊點在長期高溫服役的電子元件中比Cu-Sn制備的微焊點具有更長的服役時間和更高的可靠性。

3 結論

通過在265 ℃不同固-液界面反應時間下制備樣品，研究Ni-Sn-Ni微互連結構在等溫條件下的微觀形貌演變，可以得出以下結論：①Ni-Sn反應生成的IMCs層厚度隨反應時間的增加而增加；②Ni-Sn反應前期速度較快，在底層IMCs閉合后反應速度逐漸放緩；③Ni-Sn反應生成的IMCs形貌演變由前期的細針狀逐步轉變為中期的細棒狀再到最后的塊狀；④當反應結束后，兩側的Ni焊盤由Ni3Sn4連接，此時微焊點的力學性能主要由Ni3Sn4的力學性能決定。

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［7］王波，莫麗萍，吳豐順，等.微小互連高度下的電子封裝焊點微觀組織［J］.焊接學報，2011，32（12）：25-28，114.

收稿日期：2023-02-06

作者簡介：趙志豪（1997—），男，碩士生，研究方向：微互連工藝及可靠性。

通信作者：田野（1981—），男，博士，教授，研究方向：集成電路系統集成。