Cu/Sn/Ni焊點界面金屬間化合物的生長及演變

摘 要：【目的】研究Cu/Sn/Ni焊點在265 ℃下鍵合過程中界面金屬間化合物的生長趨勢及形貌演變。【方法】使用掃描電鏡對焊點進行觀察和分析?！窘Y果】隨著鍵合時間的增加，界面金屬間化合物總厚度不斷增加。在Cu-Ni的交互作用下，界面金屬間化合物在Cu/Sn和Ni/Sn兩側表現出不同的界面形貌演變和生長速度。在等溫回流的四個時間節點中，Cu/Sn側的金屬間化合物生長速率呈先快后慢的趨勢，而Ni/Sn側則為先慢后快。此外，在Cu/Sn/Ni焊點等溫回流的四個時間節點中，Cu/Sn側和Ni/Sn側金屬間化合物的微觀形貌存在明顯差異。【結論】本研究為深入理解焊點界面金屬間化合物的生長規律提供了有價值的參考。

關鍵詞：Cu/Sn/Ni焊點；金屬間化合物；界面反應

中圖分類號：TG454" " " " " " " " "文獻標志碼：A" " " " " " " " " " " " " "文章編號：1003-5168（2023）12-0085-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.12.016

Growth and Evolution of Intermetallic Compounds at the Interface of Cu/Sn/Ni Solder Joints

YOU Feixiang1 LI Wuyue1 LI Guojun2 TIAN Ye1

（1.Henan University of Technology， Zhengzhou 450001， China; 2.Henan Costar Group Co.， Ltd.，

Nanyang 473004， China）

Abstract： [Purposes] This article aims to investigate the growth trend and morphological evolution of intermetallic compounds （IMCs） at the interface of Cu/Sn/Ni solder joints during the bonding process at 265 ℃. [Methods] Scanning electron microscopy was used to observe and analyze the solder joints. [Findings] The total thickness of the IMCs at the interface continuously increased with the increase of bonding time. Under the interaction of Cu-Ni， the interface morphology evolution and growth rate of the IMCs on both sides of Cu/Sn and Ni/Sn showed different characteristics. Among the four time points of isothermal reflow， the growth rate of the IMCs on the Cu/Sn side exhibited a trend of fast-slow-fast， while on the Ni/Sn side it was slow-fast-slow. In addition， there were significant differences in the microscopic morphology of the IMCs on the Cu/Sn and Ni/Sn sides at the four time points of isothermal reflow in Cu/Sn/Ni solder joints. [Conclusions] In summary， this study provides valuable reference for a better understanding of the growth law of IMCs at the interface of solder joints.

Keywords： Cu/Sn/Ni solder joint; intermetallic compound; interface reaction

0 引言

在集成電路封裝技術中，Cu和Ni常作為倒裝芯片凸點下金屬層（UBM），被廣泛使用，Cu/Sn/Ni三明治焊點已經成為芯片的常用封裝結構［1］。近年來，在摩爾定律的推動下，電子產品朝著多功能、高密度和微型化趨勢發展，微焊點尺寸已經達到微米級［2］。隨著微焊點尺寸不斷減小，由液態釬料與固態金屬焊盤通過固液界面反應生成的金屬間化合物（Intermetallic Compound，IMC）的比例不斷增加，使IMC逐漸成為影響微焊點可靠性和使用壽命的重要因素。

近年來，國內外對Cu/Sn/Ni焊點的界面反應進行了諸多研究。其中黃明亮等［3］研究了Cu-Ni交互作用對Cu/Sn/Ni焊點界面IMC層厚度的影響，以及Cu/Sn/Ni焊點可靠性降低的原因。還有部分學者研究了Cu/Sn/Ni焊點的服役性能和可靠性，董紅杰等［4］則是通過制備Cu/Sn/Ni全IMC焊點，證明焊點的重熔溫度和平均剪切強度符合高溫功率器件封裝中的互連需求。雖然部分學者對大尺寸封裝結構下Cu/Sn/Ni焊點的界面IMC演變和焊點力學性能進行了研究［5］，但是對窄間距條件下的Cu/Sn/Ni焊點中的界面IMC生長變化和形貌演變的研究尚不充分，界面反應過程中Cu和Ni對窄間距互連中IMC的交互影響方面仍需要進一步探究。

本試驗制備了互連高度為20 μm的Cu/Sn/Ni微焊點，通過在加熱平臺上等溫加熱不同時間，得到各個時間節點下的IMC形貌和IMC層厚度，來研究回流時間對Cu/Sn/Ni焊點兩側界面上IMC生長速度和形貌的區別，從而分析Cu-Ni交互作用對界面IMC生長過程的影響。

1 試驗方法

試驗所用材料為T2級紫銅棒（純度99.9%，長度17 mm，直徑1 mm）和N6鎳棒（純度99.9%，長度17 mm，直徑1 mm）。使用的釬料為10 mm×10 mm×0.03 mm的純錫薄片（純度99.99%），銅棒和鎳棒端面已拋光。使用自制的夾具固定銅棒和鎳棒，涂抹助焊劑后，用端面夾緊錫片，調整夾具刻度直至互連高度為20 μm。然后把夾具放在無鉛回流焊機（HW-R108NC）中進行初步鍵合，在Sn片熔化30 s后取下，再使用冷水將初始回流樣冷卻至室溫。隨后將初始回流樣放置于加熱平臺上，平臺參數設定為265 ℃，從Sn片熔化開始計時，加熱時間分別為6 min、13 min、21 min、31 min，再將樣品取下來并使用水冷裝置冷卻至室溫。各個樣品在平臺上加熱時間再加上30 s即為界面反應時間。

首先，利用環氧樹脂將冷卻至室溫后的樣品利用冷鑲嵌進行固定，使用砂紙對樣品進行粗磨和細磨。然后，使用顆粒直徑為1 μm、0.3 μm、0.05 μm的氧化鋁懸浮拋光液對樣品橫截面進行拋光；再使用1%鹽酸-99%酒精（體積分數）的腐蝕液對樣品橫截面進行腐蝕，腐蝕時間為3 s。最后，采用蔡司Sigma-500型號掃描電子顯微鏡對界面IMC的微觀組織形貌進行圖像拍攝，采用ImageJ圖像處理軟件對SEM圖進行測量分析。為使界面IMC層厚度的數據更加準確，每張圖片測量3次，然后取平均值。

2 結果與分析

2.1 不同反應時間下的Cu/Sn/Ni橫截面微觀結構

Cu/Sn/Ni 焊點在265 ℃下回流鍵合30 s后的橫截面SEM如圖1所示。由圖1可知，Cu/Sn界面IMC形貌為扇貝狀，Ni/Sn界面IMC形貌為棒狀，Cu焊盤和Ni焊盤之間互連效果良好，互連高度為20 μm。Cu/Sn界面IMC為Cu6Sn5，IMC層厚度為1.0 μm，Ni/Sn界面IMC為Ni3Sn4，IMC層厚度為0.6 μm。在界面反應30 s的樣品中，Cu和Ni的元素成分都沒有穿過Sn釬料到達另一端對IMC形貌和生長產生影響。因此，在較短時間的鍵合下兩側的Cu、Ni不存在交互作用。

Cu/Sn/Ni焊點在265 ℃回流不同時間后的橫截面微觀組織SEM如圖2所示。由圖2可知，底部灰色區域為Ni端，頂部灰色區域為Cu端。如圖2（a）所示，在微焊點的兩側形成一層較薄的IMCs，Cu/Sn端IMC形貌為緊密排列的短棒狀，另一端則表征為細棒狀和粗棒針交錯排列，Cu/Sn端IMC厚度比Ni/Sn端更厚，兩端的金屬間化合物都為（Cu，Ni）6Sn5。使用ImageJ軟件得出Cu/Sn側和Ni/Sn側IMC厚度分別為5.3 μm和3.4 μm。當界面反應時間為13.5 min時，如圖2（b）所示，可以明顯觀察到兩側界面IMC層厚度變得更厚，且Ni/Sn側IMC生長速度比Cu/Sn側更快，Cu/Sn側和Ni/Sn側IMC厚度分別為6.0 μm和4.4 μm。Ni/Sn側塊狀增多，Cu/Sn側IMC晶粒之間空隙縮小，Cu/Sn端IMC厚度比Ni/Sn端更厚。當加熱時間增加到21.5 min時，如圖2（c）所示，Cu/Sn側和Ni/Sn側IMC厚度增長明顯，IMC厚度分別為7.2 μm和7.0 μm，兩端IMC層厚度基本接近。Cu/Sn界面IMC晶粒尺度有明顯增長，而Ni/Sn側晶粒融合長大形成大尺度晶粒，個別大塊晶粒在Sn釬料內部已經匯合。當等溫時間為31.5 min時，如圖2（d）所示，（Cu，Ni）6Sn5基本生長滿微焊點內部，Cu/Sn側IMC和Ni/Sn側IMC生長到相互接觸融合，Cu/Sn和Ni/Sn界面IMC厚度分別為9.3 μm和10.2 μm，Ni/Sn側IMC厚度已經反超Cu/Sn側。但是Cu/Sn和Ni/Sn兩側IMC微觀形貌有明顯區別，Cu/Sn側IMC晶粒為大塊狀，而Ni/Sn側除大塊晶粒外還有很多細小晶粒存在。

2.2 Cu/Sn/Ni橫截面不同區域的形貌

焊點界面IMC中Ni元素含量的變化會影響界面IMC微觀形貌［6］。265 ℃下界面反應31.5 min的Cu/Sn/Ni橫截面如圖2（d）所示，樣品的EDS數據見表1，其中點A靠近Cu/Sn邊界，點B靠近Ni/Sn邊界。計算數據得出，此時Cu/Sn側和Ni/Sn側IMC均為（Cu，Ni）6Sn5，但是不同位置IMC 的Cu、Ni含量差距很大。其中Cu/Sn側IMC的Cu、Ni含量分別為46.5 at.%、7.5 at.%，Ni/Sn側IMC的Cu、Ni含量分別為39.3 at.%、15.9 at.%。

EDS結果表明，Cu和Ni原子的相互擴散對界面微觀組織形貌有著決定性作用。隨著回流時間的不斷增加，Cu原子和Ni原子進一步與Sn釬料層發生界面反應，Ni側IMC和Cu側IMC因Cu、Ni含量的差別，微觀形貌有著一定的差別。隨著回流時間的不斷增加，兩側IMC生長到接觸融合，但是不同位置的IMC形貌也有著明顯差異。

2.3 Cu/Sn/Ni兩側界面IMC的生長速率

使用ImageJ軟件對圖2（a）至圖2（d）進行兩端界面IMC厚度的測量，所得數據如圖3所示。由圖3可以看出，兩側界面總IMC厚度隨著固液界面反應時間的增加而增加，界面反應在0.5 min、6.5 min、13.5 min、21.5 min和31.5 min，各時間點IMC總厚度分別為1.6 μm、8.7 μm、10.4 μm、14.2 μm、19.5 μm。在界面反應31.5 min時，Cu/Sn/Ni兩側界面IMC已相互接觸融合。如圖3所示，前兩個時間節點，兩側IMC未生長到接觸，Cu/Sn固液界面反應速度比Ni/Sn快得多，因此Cu/Sn側IMC厚度大于Ni/Sn厚度；隨著回流時間的增加，兩側界面IMC接近直至相互融合，Cu原子更快地擴散到Ni端，Ni/Sn端IMC生長速度大大加快，Ni/Sn端IMC厚度反超Cu/Sn界面IMC厚度。

Cu和Ni焊盤的交互作用顯著影響著界面IMC的微觀形貌和IMC的生長速度，從而改變焊點的力學性能和可靠性。一方面，界面IMC主體為（Cu，Ni）6Sn5相，彈性模量和剪切模量分別為132.5～145.8 GPa和73.23～93.8 GPa，Cu6Sn5的彈性模量和剪切模量分別為123.3 GPa和35.9～47.43 GPa，相比而言，（Cu，Ni）6Sn5有著更高的彈性模量和抗剪強度［4，7］。另一方面，Cu/Sn/Ni焊點界面IMC生長速度比Cu/Sn焊點更慢，這避免了界面IMC快速生長而導致焊點可靠性下降，進而影響焊點使用壽命。

3 結論

①在Cu/Sn/Ni焊點等溫回流過程中，由于Cu-Ni的交互作用，Cu/Sn和Ni/Sn界面都會生成（Cu，Ni）6Sn5，但會因IMC位于焊點的相對位置不同從而形成不同Cu、Ni元素含量的（Cu，Ni）6Sn5。

②Cu/Sn側IMC生長速度先快后慢，而Ni/Sn側IMC生長速度先慢后快。在等溫回流時間為6.5 min和13.5 min時，Cu/Sn側IMC厚度大于Ni/Sn側IMC厚度；在回流21.5 min時，Ni/Sn側IMC厚度與Cu/Sn側IMC厚度基本相同；在固液界面反應31.5 min時，Cu/Sn側和Ni/Sn側IMC厚度分別為9.3 μm和10.2 μm。

③Cu/Sn/Ni固液界面反應過程中，在Cu-Ni交互作用影響下，Cu/Sn和Ni/Sn側IMC因不同的Cu、Ni元素含量會有不同的界面IMC形貌，這提高了焊點的力學性能和可靠性。

參考文獻：

［1］DONG H J，LI Z L，SONG X G，et al. Grain morphology and mechanical strength of high-melting-temperature intermetallic joints formed in asymmetrical Ni/Sn/Cu system using transient liquid phase soldering process ［J］. Journal of Alloys and Compounds，2017，723：1026-1031.

［2］陶逸詩.取向銅、鎳鍍層對鍵合界面反應的影響［D］.上海：上海交通大學，2015.

［3］黃明亮，陳雷達，趙寧.Cu-Ni交互作用對Cu/Sn/Ni焊點液固界面反應的影響 ［J］. 中國有色金屬學報，2013，23（4）：1073-1078.

［4］董紅杰，趙洪運，宋曉國，等. Ni-Cu低溫TLP擴散連接接頭組織及性能［J］.焊接學報，2017，38（10）：125-128，134.

［5］WANG Y W，SHIH W L，HUNG H T， et al. Reaction within Ni/Sn/Cu microjoints for chip-stacking applications［J］.Journal of Electronic Materials，2019，48（1）： 25-31.

［6］TAN X F，GU Q F，BERMINGHAM M， et al. Systematic investigation of the effect of Ni concentration in Cu-xNi/Sn couples for high temperature soldering［J］. Acta Materialia，2022： 117661.

［7］CHIA P Y，HASEEB A S M A， MANNAN S H，et al. Reactions in Electrodeposited Cu/Sn and Cu/Ni/Sn Nanoscale Multilayers for Interconnects ［J］. Materials（Basel），2016，9（6）：430.