多晶铜晶粒形貌对Sn/Cu钎焊界面反应的影响

摘要

电子封装焊接过程中，与焊料直接接触的凸点下金属层（UBM）对界面反应起着至关重要的作用。目前关于UBM层的研究主要集中在基板种类、晶界及择优取向对金属间化合物（IMC）形貌、织构和生长动力学等方面的影响。工业中，常用UBM层为多晶铜，因此，本文选用分别具有纤维组织、等轴晶组织及柱状晶组织的纯铜基板，将其分别与纯Sn、Sn-0.5Cu、Sn-0.7Cu、Sn-1.0Cu及Sn-1.3Cu（wt.%）五种无铅焊料在不同钎焊条件下回流焊接。通过原位观察多晶铜基板不同晶粒间IMC形貌差异、分析具有相同择优取向的多晶与单晶铜基板上IMC生长行为的相似性与差异性、比较基板晶粒形貌对界面IMC生长动力学的影响规律，本研究主要获得以下结论： （1）无铅焊料润湿过程受界面张力不平衡主导的铺展润湿和界面化合物生成主导的反应润湿两方面因素控制。随温度升高、时间延长，三种基板上铺展面积均线性增加。在纯Sn/Cu界面，250℃时，铺展润湿起主导作用；而300℃时，反应润湿起主导作用。当铜浓度为0.5-1.3wt.%时，铺展润湿起主导作用。随Cu浓度增加，钎料润湿性呈现波动式变化。 （2）多晶铜基板单个晶粒范围内可容纳多个IMC晶粒时，该基板部分晶粒上IMC生长行为与相同取向单晶基板相似；但多晶铜晶界的存在及相邻晶粒之间的晶格转动，导致纤维组织基板上不同形貌IMC呈条状间隔分布，等轴晶基板上则呈块状分布。采用不同钎焊工艺时，同种基板钎焊界面IMC分布规律相似；但随钎焊温度升高、时间延长，不同形貌IMC按各自的变形规律发生形貌演变，即扇贝状IMC晶粒尺寸逐渐增大，并逐渐向小平面、棱柱状转变；棱晶状IMC排列不变，尺寸增加，棱角更加尖锐。除此，随钎料中铜含量上升，纤维组织铜和等轴晶铜基板上扇贝状IMC（或小平面状、棱柱状）所占比例增加，与此对应，棱晶状Cu6Sn5相应减少。 （3）相同钎焊条件下，基板元素供给能力、钎焊界面Cu扩散通道差异及Cu6Sn5各向异性的存在，导致界面IMC平均厚度关系为：柱状晶铜基板＞纤维组织铜基板＞等轴晶铜基板。钎焊温度一定、回流时间延长，柱状晶基板上IMC晶粒吞并长大速率高于其余两种基板。相同钎焊条件下，柱状晶基板上IMC高宽比大于其余两种基板，即扇贝状Cu6Sn5更易长成细长状，而棱晶状IMC相对平直。随钎料中铜含量增加，同种基板上，IMC厚度逐渐增加，宽度呈先上升后下降再上升的变化规律，IMC晶粒数量及高宽比呈先下降后上升再降低的波动趋势。

目录

声明

1 绪论

1.1 电子封装技术

1.2 钎焊界面反应

1.3 界面反应影响因素

1.3.1 回流工艺

1.3.2 钎料

1.3.3 基板

1.4 本文主要研究内容

2 样品制备与实验方法

2.1 不同晶粒形貌铜基板的制备

2.1.1 纤维组织基板制备

2.1.2 柱状晶基板制备

2.1.3 等轴晶基板制备

2.1.4 基板电解抛光

2.2 钎料制备

2.3 焊点制备

2.3.1 回流焊点制备

2.3.2 原位焊点制备

2.4 实验药品及仪器明细

3 基板晶粒形貌对纯Sn/Cu钎焊界面反应的影响

3.1 纯Sn/Cu界面钎料润湿性研究

3.2 纯Sn/Cu界面IMC形貌与分布

3.2.1 焊点宏观形貌

3.2.2 焊点原位观察

3.2.2 不同钎焊条件下Sn/Cu界面IMC形貌

3.3 Sn/Cu界面IMC生长动力学研究

3.4 本章小结

4 基板晶粒形貌对Sn-xCu/Cu钎焊界面反应的影响

4.1 Sn-xCu/Cu界面钎料润湿性研究

4.2 Sn-xCu/Cu界面IMC形貌与分布

4.3 Sn-xCu/Cu界面IMC生长动力学研究

4.4 本章小结

结论

参 考 文 献

致谢

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