多次回流下Sn-xCu/Cu钎焊界面反应尺寸效应的研究

摘要

目前，电子产品正向着微型化、集成化的方向发展，使得封装工艺中焊点尺寸逐渐减少。另外，由于封装工艺的发展，在封装互连过程中，微焊点常常需要经历多次回流过程，这对焊点可靠性的影响非常大。基于以上，深入研究焊点成分、焊点的尺寸及回流次数对焊点可靠性的影响是非常有必要的。试验选用Sn-xCu（x=0，0.7，2.0wt.%）钎料，研究直径为200μm、500μm和800μm的焊球在多次回流下与Cu基板间界面反应过程并分析在不同钎焊工艺下界面金属间化合物（Intermetallic Compound，IMC）生长演变行为的尺寸效应，如：保温时间（1min、3min、5min），焊接温度（250℃、275℃、300℃），回流次数（1~20次），实验结果为实际的封装过程中可靠性分析提供合理的数据支持。论文主要研究结果如下： （1）三种直径的Sn-Cu焊球与Cu基板界面反应均生成Cu6Sn5化合物，在多次回流下Sn-xCu/Cu钎焊界面反应出现了明显的尺寸效应。在Sn/Cu界面中，一次回流后，不同直径的焊球钎焊界面处IMC厚度大小关系为：500μm>800μm>200μm。另外，焊球直径越小，钎焊界面处Cu6Sn5晶粒尺寸越大。在Sn-0.7Cu/Cu界面中，焊球直径越大，IMC层厚度越薄，界面处Cu6Sn5晶粒尺寸越小。 （2）当回流次数增加时，界面IMC层变厚，界面处Cu6Sn5晶粒尺寸增大，但生长速率均逐渐减小。不同直径的焊球钎焊界面处IMC厚度与晶粒尺寸的增长速率间的关系为：200μm>500μm>800μm。回流初期，钎料层中Cu浓度主要来自晶界扩散和体扩散。当回流次数增加后，晶界数减小，IMC变厚，Cu原子扩散速率大大降低。此时，界面IMC层的厚度增长速率减小，但晶粒的熟化反应仍在继续。在回流次数达到9次以后，界面晶粒的生长主要由熟化反应控制，晶粒高度的生长速度小于直径生长速度。 （3）Cu元素的添加并没有对界面IMC的厚度产生较大的影响，但是促进了晶粒的熟化反应，晶粒尺寸变大。 （4）随着保温时间和钎焊温度的增加，Sn/Cu钎焊界面处IMC厚度和Cu6Sn5晶粒尺寸均增加。在不同的保温时间和钎焊温度下，不同直径的焊球钎焊界面处IMC厚度大小关系均为：500μm>800μm>200μm，且焊球直径越小，界面处Cu6Sn5晶粒尺寸越大。钎焊初期小尺寸钎料层中Cu浓度梯度小，晶界数少，抑制Cu向钎料中的扩散，使得Cu原子向IMC层中溶解，促进了晶粒的熟化，所以小尺寸焊球有着较薄的IMC层厚度，较大的晶粒尺寸。当钎焊温度升高时，样品冷却到室温需要经历更长的时间。由于大尺寸焊球中充足的Sn原子量，冷却阶段界面反应充分，所以大尺寸焊球钎焊界面处IMC生长较厚。

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