窄间距Cu/Sn-3.0Ag-0.5Cu/Ni焊点液-固界面反应

摘要

随着电子封装焊点尺寸的持续减小，界面反应中液态钎料成分更易受到基体溶解与界面 IMC生长的影响，而钎料成分的改变反过来又会影响界面反应；同时异质基体原子的交互作用也会更加显著，这将强烈影响微焊点的可靠性。此外，无铅化的强制要求也使钎焊技术面临更大的挑战。本论文通过Cu/SAC305/Ni线性焊点研究了不同温度、不同间距焊点中的Cu-Ni交互作用，探索了温度和焊点间距对两侧 IMC生长速率、形貌和类型转变的影响规律；并进一步利用同步辐射实时成像技术原位对比观察了片状Cu/SAC305和Cu/SAC305/Ni焊点的液-固界面反应过程，研究了Cu-Ni交互作用对其液-固界面反应的影响，尤其是Ni原子对Cu基板上扇贝状Cu6Sn5生长动力学与形貌转变的影响机制。本论文主要研究结果如下：
　　1.在Cu-Ni交互作用下，100μm间距Cu/SAC305/Ni线性焊点在两侧界面均形成(Cu,Ni)6Sn5型IMC，且Ni侧界面IMC较Cu侧具有更快的生长速率。250°C时Cu侧IMC晶粒形貌始终保持扇贝状，Ni侧则由针状逐渐长大、粗化转变成棒状；随着温度的升高，300°C时两侧界面IMC厚度均稍有降低，Cu侧界面IMC晶粒形貌由扇贝状向六棱柱短棒状转变，Ni侧也由棒状逐渐长大、粗化转变成块状，并且两侧界面IMC晶粒尺寸均生长粗大。原子通量控制着IMC的生长，两侧界面IMC中原子的积累依赖于Jin和Jout的差值。界面IMC晶粒尺寸的增大将导致晶界面积的减小，从而使Jin减小，而长时间的液-固反应后Jout保持不变，此时界面IMC的生长仅受Jin控制，因此表现出更慢的生长速率。
　　2.随着焊点间距的减小，液-固界面反应过程中的 Cu-Ni交互作用更加强烈，对界面IMC的形貌和生长都产生显著影响，导致IMC的形貌在更短的时间内由扇贝状和针状向着更加粗大的棒状和块状转变，IMC晶粒平均直径增加，而 IMC平均厚度稍有降低。晶界面积的减小使得Jin减小，Jin和Jout的差值也相应减小，因此表现出更慢的生长速率。
　　3.对比Cu/SAC305和Cu/SAC305/Ni焊点221 oC条件下的液-固界面反应，可以观察到明显的Cu-Ni交互作用，两侧均形成(Cu,Ni)6Sn5型 IMC。同时，Ni基板的加入使得Cu侧IMC由扇贝状随反应时间的增加逐步演变成细小的短棒状，IMC晶粒平均直径从最初的18.0μm减小到反应20 min后的5.2μm；反应1 h后，Cu侧界面IMC平均厚度均无明显变化，而Ni侧界面IMC生长较快，由初始的1.16μm增长到38.6μm。

目录

声明

1 绪论

1.1 微电子封装技术简介

1.2 微电子封装技术发展趋势

1.3 微焊点的界面反应

1.4 同步辐射成像技术在封装研究中的应用

1.5 本论文的研究内容

2 实验材料与方法

2.1 样品制备

2.2 测试分析与表征

3 Cu/SAC305/Ni焊点液-固界面反应实验

3.1 100 μm Cu/SAC305/Ni焊点的液-固界面反应

3.2 30 μm Cu/SAC305/Ni焊点的液-固界面反应

3.3 本章小结

4 Ni原子对Cu侧IMC生长影响的同步辐射观察

4.1 Cu/SAC305焊点

4.2 Cu/SAC305/Ni焊点

4.3 本章小结

结论

1、Cu/SAC305/Ni线性焊点液-固界面反应主要研究结论：

2、Ni原子对Cu侧IMC生长影响的同步辐射主要研究结论：

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢