锡基薄膜与固态金属Cu焊盘界面反应行为研究

摘要

微电子封装中金属铜被广泛应用为焊盘及互连引线材料。在元器件的回流工艺中,铜基焊点在多次回流后常常会存在金属间化合物层过厚的问题,过厚的金属间化合物层会导致焊点的脆性增大,并在服役过程中成为焊点开裂的潜在原因,从而极大的降低了焊点的结构可靠性。本课题针对以上的问题,提出应用金属间化合物本身作为铜元素的扩散阻挡层从而抑制后续的金属间化合物的生长的新思路,研宄了不同温度下锡薄膜钎料与铜焊盘生成的金属间化合物的形貌演变、粗化行为及相关生长动力学问题,以及再次重熔后金属间化合物的形貌演变及粗化行为,因此本课题对提高焊点的可靠性具有重要的意义。
　　本文设计了三种不同厚度的Sn薄膜进行对比实验,在两种反应控制机制条件下(即重熔条件和老化条件)得到不同结构的金属间化合物层,观测了金属间化合物的形貌并计算了金属间化合物层的厚度,发现了在晶体的生长过程中前期主要是受熟化作用的影响,而后期主要是晶粒之间的融合作用,并且CusSm都为表面圆滑的扇贝状形貌。根据统计结果预测,薄膜的厚度越薄生成的金属间化合物的尺寸越大;温度越高且时间越长尺寸也会变大。以上得到的不同结构的金属间化合物为后续的再次重熔进行了铺垫且具有很强的对比性。根据以上制备的不同结构的金属间化合物层为基础,在其表面再次植球并重熔,发现生成的金属间化合物层的厚度要明显小于正常情况下置球时的厚度,并且在前期得到的金属间化合物的尺寸越大,再次重熔后生成的金属间化合物层的厚度要越薄,所以Sn薄膜的厚度越薄,其抑制C u焊盘的消耗和金属间化合物的生长的作用要更好。其中原因在于,Cu原子主要是通过晶体之间的孔道向钎料中扩散的,S n薄膜的厚度越薄,晶体的尺寸越大,晶体之间的孔道也会相应的减少,C u原子的扩散会受阻,进而金属间化合物的生长也会受到抑制。本文还研宄了老化条件下形成的金属间化合物的形貌及粗化行为,发现相较于重熔条件下形成的金属间化合物,老化条件下生成的金属间化合物的晶粒之间更加紧密,然而再次重熔的过程中,这些晶粒之间会产生开槽现象,并且晶粒的尺寸不是很大且粗化速率太慢,这些条件不利于其作为阻挡层来抑制Cu焊盘的消耗和金属间化合物的生长。

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第1章 绪 论

1 .1课题背景及研究的目的和意义

1 .2锡基钎料与铜焊盘之间的固液界面反应及现象分析

1 .3锡基钎料与铜焊盘之间固固界面反应及现象分析

1 .4本文的主要研究内容

第2草实验材料、设备、方法

2 .1实验材料

2 .2实验设备

2 .3试样制备

2 .4界面金属间化合物的成分确定，厚度和尺寸分布的测量

2 .5本章小结

第3章界面金属间化合物生长行为研究

3 .1界面金属间化合物的形貌

3 .2界面金属间化合物的晶体取向

3 .3界面金属间化合物的粗化行为

3 .4界面金属间化合物的生长动力学

3 .5本章小结

第4章界面金属间化合物对铜焊盘溶解的抑制作用

4 .1引言

4 .2不同结构的金属间化合物层的抑制作用

4 .3抑制金属间化合物生长的原因

4 .4老化条件下形成的界面金属间化合物

4 .5本章小结

结论

参考文献

声明

致谢