Sn-35Bi-1Ag无铅焊点界面反应研究

发布时间：2020-07-20 11:13

【摘要】：随着集成电路中互连焊点微型化及互连材料无铅化的发展趋势,微电子工业界对互连焊点的可靠性越来越重视。影响互联焊点可靠性的最关键因素是界面反应,因此,对无铅钎料的界面反应展开深入研究具有重要意义。Sn-Bi系无铅钎料以其熔点低、润湿性好等特性被认为是传统Sn-Pb钎料的理想替代品并已在工业中得到应用。本文以熔点最接近Sn-37Pb的Sn-35Bi-1Ag无铅钎料为研究载体,分别选取电子工业中广泛使用的Cu、Ni-P/Cu为焊盘金属层,对两种典型Sn-35Bi-1Ag无铅焊点的界面反应进行了研究,针对焊点服役过程产生的缺陷,提出以Ni-Co-P改性层取代传统Ni-P扩散阻挡层的解决方案,并探究了Ni-Co-P镀层对焊点界面反应的影响。相关研究内容如下:(1)Sn-35Bi-1Ag/Cu的焊点界面反应研究。研究了Sn-35Bi-1Ag/Cu的焊点微观组织演变、界面IMC的生长行为及晶粒粗化行为,结果表明回流后的界面为扇贝状Cu_6Sn_5层,时效过程中Cu_6Sn_5层不断变厚,并有很薄的Cu_3Sn层出现在Cu_6Sn_5/Cu界面,最终的界面为较厚的层状Cu_6Sn_5和较薄的Cu_3Sn层。在Cu_3Sn生长过程中,界面处有Bi偏析和Kirkendall空洞出现,对焊点可靠性产生削弱作用。IMC层的生长动力学结果显示,130℃和150℃时效温度的IMC生长速率常数分别为0.0993 um/h~(0.5)和0.1413 um/h~(0.5),可见焊点服役温度不同,IMC生长速度也不一样。150℃的时效温度下,Cu_6Sn_5和Ag_3Sn晶粒的生长指数分别为0.2388和0.3370,可见晶粒的粗化行为与晶粒种类有密切关系。(2)Sn-35Bi-1Ag/Ni-P/Cu焊点界面反应研究。通过制备薄(约1 um)、中(约5um)、厚(约10 um)三种Ni-P镀层,研究扩散阻挡层厚度对界面反应的影响。结果表明,经回流与时效后,薄镀层焊点界面最终呈现复合层状结构(Cu,Ni)_6Sn_5+Ni_2SnP+(Cu,Ni)_6Sn_5,而中、厚镀层的焊点界面最终均为(Ni,Cu)_3Sn_4+Ni_2SnP+Ni_3P的复合层状结构。非晶态Ni-P镀层时效过程中因消耗而逐渐转化为Ni_3P晶化层,Ni_3P层增厚过程中内部伴随大量空洞或微裂纹出现,当Ni-P层全部转化为Ni_3P后,Ni_3P继续被消耗形成较为稳定的Ni_2SnP化合物。生长动力学结果表明,薄、中、厚三种镀层的焊点界面IMC层的生长速率常数分别为0.4040 um/h~(0.5),0.1137 um/h~(0.5),0.4399 um/h~(0.5),因此,中等厚度(约5 um)的Ni-P镀层能符合最佳焊盘厚度参数指标。(3)Sn-35Bi-1Ag/Ni-Co-P/Cu焊点界面反应研究。具体对Ni-Co-P焊点服役过程中的界面微观组织结构、IMC生长行为进行了研究,并与同等条件的Cu、Ni-P焊点进行横向对比。结果表明,Sn-35Bi-1Ag/Ni-Co-P/Cu焊点时效阶段界面IMC始终为(Ni,Co)_3Sn_4,未见Cu固溶物。(Ni,Co)_3Sn_4层增厚过程中,Ni-Co-P持续消耗生成(Ni,Co)_3P,镀层始终保持良好的阻扩散性能,且无空洞、微裂纹出现,界面层未见Bi偏析现象。进一步的生长动力学结果显示,150℃固态时效的Ni-Co-P焊点界面IMC层的生长速率常数为0.09843 um/h~(0.5),低于同等条件的Cu及Ni-P焊点中IMC层生长速率常数。Co元素有效减缓了焊接及服役阶段Ni-P镀层的晶化行为,提高了Ni-Co-P层的扩散阻挡效果,使焊点中IMC生长受到抑制。
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN405;TG40
【图文】：

示意图,示意图,电子产品,二级

图1-1分级封装示意图

示意图,示意图,键合技术,金属层

第 1 章绪论中主要通过引线键合，载带自动焊和倒装键合技术间的结合[2-4]。引线键合技术和载带自动焊均用金或别在于，引线键合中的连接点是逐次形成的，载带现互联焊点一步成型[5,6]。倒装键合技术应用焊球与上直接制备焊球点阵，基板处沉积合适金属层，再上，如图 1-2 所示。倒装键合技术一般采用蒸发与电得到的金属层为接触层，可焊层与阻扩散层组成的成了焊点下金属层，它们用于改善钎焊界面润湿性Ni 是最重要的焊点下金属层材料，可焊层与接触层界面[8]，Ni 因与钎料反应速率小，常用作阻扩散层u 层因消耗变薄，Ni 逐步参与到焊料中反应。通常为 Ni 层上镀覆上薄的 Au 层。

二元合金相图,二元合金相图

Bi 系无铅钎料及其研究现状-Bi 系无铅钎料基本性能-5 所示为 Sn-Bi 二元合金相图，根据图示共晶点可知 Sn-Bi 二是 Sn-57 wt% Bi，其熔化温度为 138℃，低于传统 Sn-Pb 钎料料的低熔点特性，使其具有很好的工艺兼容性，在外层的分级感处的封装，都不用担心钎焊温度过高而损坏元件。封装焊点素构成的接头，存在材料之间的热膨胀系数差异，这对功能连为不利的。低熔点 Sn-Bi 钎料在较低温度下与电子元件或电路小高温效应下材料热膨胀系数不匹配所造成的焊点残余应力的用 Sn-Bi 焊料合金进行焊接，能有效提高焊接层的焊接工艺气较为均匀。当键合区没有或较少出现气泡、焊缝夹渣等缺陷时剂额污染，满足低温气密性封装的基本要求[28]。

【参考文献】