Sn-Ag系无铅焊料与单晶铜的界面反应

摘要

随着高密度的电子封装技术快速发展，焊点的尺寸和互连高度不断减小，界面反应和界面微观结构对焊点性能的影响越来越大，对焊点的可靠性提出了新的要求。另一方面，Sn-Ag系合金焊料被认为是迄今为止封装行业中最理想的无铅焊料。但是，Sn-Ag二元合金相比于传统锡铅焊料，在润湿性和熔点上仍有一定差距。通过加入其它元素的方式能够提高 S n-Ag合金的性能，其中最具有发展前景的是 S nAgZn和S nAgC u合金。
　　本文选取了S n-3.5Ag-0.7C u、S n-2Ag-2.5Z n、S n-2Ag-4Zn作为焊料合金，利用单晶铜作为基体，采用等温时效的方法，对不同焊料和铜单晶的界面反应进行研究，得出金属间化合物(Intermetallic Compound，IMC)的分析结果，及其生长动力学随基体取向和焊料组分的变化规律；此外，本文还探讨了互连高度对焊点IMC生长的影响。
　　研究表明：S n-3.5Ag-0.7C u/C u焊点在回流过程中，界面处形成Cu6Sn5金属间化合物，单晶铜表面铜原子的溶解速率更快，在靠近铜一侧的焊料中形成铜浓度较高的区域，生成的C u6 Sn5层厚度要比多晶铜的更大。(111)晶面铜单晶上的Cu6Sn5呈棱柱状分布，具备一定的择优取向。随着回流温度的升高，(111)晶面铜单晶上的Cu6 Sn5逐步从扇贝状向棱柱状变化。在老化的过程当中，界面金属间化合物层的厚度持续增大，IMC形貌变得平整，在Cu6 Sn5层和铜基板之间出现Cu3Sn层，单晶铜上Cu3Sn的生长速率大于多晶铜上Cu3 Sn的生长速率，相反地，单晶铜上Cu6Sn5的生长速率小于多晶铜上Cu6Sn5的生长速率。
　　S n-2Ag-2.5Zn/C u焊点在回流过程中界面形成一层连续的扇贝状Cu6Sn5，单晶铜表面形成Cu6 Sn5晶粒尺寸要比多晶铜的大。当采用含Zn量较高的Sn-2Ag-4Zn焊料进行焊接时，界面形成Cu5Zn8和Cu6 Sn5双层结构。时效过程中，Cu5 Zn8不稳定，发生破碎，焊料与铜基板直接接触造成Cu6Sn5快速生长。
　　互连高度对于 Cu/SnAgCu/Cu的界面反应有一定影响。在回流过程中，随着互连高度的减小，界面IMC的厚度减小。对于10μm焊点，当时效时间达到384 h，上下界面的IMC相互接触，焊料层消耗完全，Cu6Sn5停止生长。Cu/SnAgCu/Cu焊点的上下界面IMC具有不同生长速率，(111)铜上的Cu3 Sn的生长速率要远大于多晶铜上Cu3Sn的生长速率。主要原因是(111)铜上形成的Cu3 Sn晶粒呈柱状分布，且晶界基本与(111)铜表面垂直，多晶铜上形成的C u3 Sn呈不规则分布。C u原子沿晶界扩散的速率最快，造成(111)铜上Cu3Sn的生长速率更快。

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第一章 绪论

1. 1电子封装中无铅焊料的研究现状

1.2 Sn-Ag系合金焊料的研究现状

1. 3焊点界面反应的研究现状

1. 4本文研究目的和内容

第二章 实验材料及方法

2. 1实验材料

2. 2实验方法

第三章Sn-Ag-Cu无铅焊料与单晶铜的界面研究

3.1单晶铜与Sn-Ag-Cu焊料的界面反应

3.2 Sn-Ag-Cu/Cu焊点的时效可靠性

3.3 SnAgCu/Cu界面IMC生长动力行为讨论

3. 4本章小结

第四章Sn-Ag-Zn无铅焊料与单晶铜的界面研究

4. 1单晶铜与S n-Ag-Zn焊料的界面反应

4.2 Sn-Ag-Zn/Cu焊点的时效可靠性

4.3 SnAgZn/Cu界面IMC生长动力行为讨论

4. 4本章小结

第五章互连高度对界面的影响

5.1回流过程中Cu/Sn-Ag-Cu/Cu焊点的界面组织

5.2时效过程中Cu/Sn-Ag-Cu/Cu焊点的微观组织

5. 3本章小结

第六章全文总结

6. 1全文总结

6. 2研究展望

参考文献

致谢

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