论文部分内容阅读
随着电子元器件朝着高性能、小型化和多功能化的发展,电子封装的尺寸越来越小。如在倒装芯片封装技术中,随着芯片表面输入/输出端口(I/O)数量的增加,焊点的直径越来越小,焊球的尺寸已接近50μm。在如此小的焊球中,焊点与焊点下金属化层反应所形成的化合物层,成为影响焊点可靠性的重要因素。尤其是近年来,由于Pb具有毒性,世界范围内对微电子焊料无Pb化的要求日益高涨,而目前开发的无铅焊料均以Sn为主要成份,与传统的共晶SnPb焊料相比,Sn基无铅焊料与基体金属化层反应后,形成化合物的速度更快。因此,研究Sn基无铅焊料与基体金属的界面化合物演化行为对认识和提高电子产品可靠性具有重要的意义。
共晶42Sn58Bi和48Sn52In合金作为低温无铅焊料的代表,在工业中具有重要的应用价值。本论文采用透射电镜为主要手段,分别研究了Cu/42Sn58Bi/Cu和Cu/48Sn52In/Cu互连体在回流焊和固态时效过程中界面化合物的生长机制和相类型,并对界面缺陷如Bi偏聚、Kirkendall孔洞等进行了分析,提出了界面化合物在多晶和单晶Cu基体上的不同生长机制,主要结果如下:
Cu3Sn在多晶、单晶Cu基体上的生长机制不同。回流焊后,在多晶Cu基体上形成的Cu3Sn颗粒呈等轴晶,厚度不均匀,Cu3Sn/Cu6Sn5界面呈波浪形；而在单晶Cu基体上形成的Cu3Sn颗粒呈柱状晶,且界面平直,说明Cu3Sn层较为均匀。在随后的固态时效过程中,多晶Cu基体上的Cu3Sn同时在Cu/Cu3Sn和Cu3Sn/Cu6Sn5界面上形核。Cu/Cu3Sn界面通过新Cu3Sn晶粒的生成而往Cu侧扩展,而在Cu3Sn/Cu6Sn5界面上,Cu3Sn以消耗Cu6Sn5的方式生长。在单晶Cu基体上,固态时效过程中,仅在Cu/CusSn的界面形成新的Cu3Sn晶核,位置优先选择在Cu基体与柱状Cu3Sn晶粒的三叉晶界处。经过7天的长时间时效后,在基体Cu与Cu6Sn5之间形成两层Cu3Sn,靠近基体Cu侧为等轴晶层:而靠近Cu6Sn5侧为原始柱状晶层。在Cu3Sn/Cu6Sn5界面上几乎没有新的Cu3Sn晶粒生成,回流焊中形成的柱状Cu3Sn晶粒继续朝着Cu6Sn5侧生长。对Cu3Sn在单晶、多晶Cu基体上的动力学研究表明,Cu3Sn在多晶Cu基体上的生长速度比在单晶Cu基体上快。其主要因为为,在多晶Cu基体上形成的Cu3Sn晶粒尺寸较小,晶界数量较多,元素沿晶界的扩散对化合物生长起主导作用。
对Cu/42Sn58Bi/Cu互连界面各相间取向关系的研究表明,界面Sn/Cu6Sn5/Cu3Sn/Cu相邻相间均存在特殊的取向关系。实验观察发现,在Sn/Cu6Sn5界面上存在[(1)00]Sn//[177]Cu6Sn5,(02(2))Sn//(71(2))Cu6Sn5；Cu6Sns/Cu3Sn界面上存在[100]Cu3Sn//[(2)51]Cu6Sn5,(032)Cu6Sn//((1)1(7))Cu6Sn5；在回流焊的初期Cu6Sn5与基体Cu直接接触,因此 Cu6Sn5与基体 Cu之间也存在特殊的取向关系:[(1)(1)0]Cu//[1(5)(3)]Cu6Sn5,(2(2)(2))Cu//((9)(3)2)Cu6Sn5及[211]Cu//[102]Cu6Sn5,(1(3)1)Cu//(44(2)Cu6Sn5；在单晶Cu基体上,回流焊后Cu3Sn形成均匀的柱状晶层,此柱状Cu3Sn晶粒与Cu基体存在特殊的取向关系,其中Cu3Sn的[122]、[211]、[100]、[102]和[131]晶带轴分别与Cu的[100]、[110]和[211]晶带轴平行。
对Cu/48Sn52In/Cu互连界面的研究表明,界面化合物的相结构和种类取决于回流焊温度。200℃以下液态反应及固态时效过程中,界面形成两层晶粒尺寸不同的Cu2(In,Sn)化合物,靠近Cu基体侧的化合物晶粒尺寸较小,约为50nm,而靠近焊料侧晶粒尺寸较大,约为细晶层尺寸的10倍。在200℃液态反应的过程中,界面只有一层Cu6(In,Sn)5化合物。当液态反应温度升高到250℃时,界面形成明显的两层化合物,靠近Cu基体侧为Cu9(In,Sn)4,而靠近焊料侧为Cu6(In,Sn)5。对界面化合物生长动力学研究表明,低温固态时效的过程中,界面化合物的生长由体扩散和沿晶界的扩散共同控制,计算所得到的化合物生长的时间指数n约为0.25,远远小于体扩散控制下的标准值0.5。而在较高的温度下,界面化合物的生长由体扩散所控制,其化合物的生长激活能为33.49kJ/mol。
对Cu/42Sn58Bi/Cu和Cu/48Sn52In/Cu互连体界面缺陷的形成机制进行了系统地研究。TEM观察发现,在Cu/42Sn58Bi/Cu互连体界面的化合物生长过程中,固溶在CusSn中的Bi原子首先析出,在界面能量降低的驱动下于Cu/Cu3Sn界面偏聚。随着时效时间的增长,Bi在Cu/Cu3Sn界面上长大呈颗粒状,孔洞出现在Bi颗粒与Cu基体之间。分析认为:Bi颗粒在Cu/Cu3Sn界面的偏聚,占据了界面上空位的位置；同时阻碍Cu原子的扩散,使两个Bi颗粒之间Cu原子的扩散出现局域化,加速了界面上由于Cu与Sn扩散系数不同而造成的空位的产生；当界面上空位数量达到一定值时,空位发生聚合；孔洞优先在Bi颗粒的两端形核,并向Bi颗粒与基体Cu之间扩展。而在48Sn52In/Cu互连体中,100℃固态时效7天后发现,孔洞出现在两层晶粒尺寸不同的Cu2(In,Sn)化合物之间,其主要因为为In和Sn原子在两层不同形貌的Cuz(In,Sn)化合物层中的扩散速度存在较大的差异所造成。