铜锡IMC中间层对铜锡界面反应和锡晶须生长的阻挡效果研究

发布时间：2020-12-19 00:33

　　铜锡界面反应是电子封装中的常见反应,如引线框架外腿与其锡镀层之间的反应、铜柱凸点中铜柱和锡基焊料帽的之间反应等。适度的铜锡反应可以增强界面两侧的结合强度,但由于反应产物是具有脆性的金属间化合物（IMC）,过度的铜锡反应可能会给器件的可靠性带来风险。铜锡反应通常伴随着锡晶须的生长。锡晶须是一种具有很高机械强度的细丝状金属晶体,可随着时间的推移在锡表面形成、生长,长度可达到微米甚至毫米级。历史上锡晶须曾给电子器件造成过众多严重的短路故障。本实验使用电镀的方法制备锡薄膜,并通过不同时间的等温时效将其转化为不同成分的铜锡IMC层,随后在其上再镀锡层,以研究IMC中间层对铜锡界面反应和锡镀层表面锡晶须生长的影响。铜锡界面反应的研究发现,成分接近Cu₃Sn的中间层插入可以显著降低Cu/Sn扩散系数,且中间层厚度越大,降低效果越明显。另外,IMC中间层厚度一定的情况下,中间层前期的时效时间越长（成分越接近Cu₃Sn）,Cu/Sn扩散系数越低,中间层的阻挡效果越好;但当中间层的前期时效时间达到24h以上时,阻挡效果趋于饱和。锡晶须生长的研究发现,锡镀层的多层... 

【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：100 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

SEM下的铜柱凸点结构

K.N.Tu在1973年观察了Cu/Sn薄膜的扩散与反应,发现Cu6Sn5相可以在-2到100℃之间的任意温度生成,而Cu3Sn相只生成于时效温度高于60℃的样品中。同时,由于Cu薄膜和Sn薄膜的密度差异,未反应的Cu和Sn分别受到拉应力和压应力,导致了Sn薄膜的表面生长出锡晶须,如图1-3所示[15]。K.N.Tu和R.D.Thompson于1982年通过卢瑟福背散射光谱和X射线衍射的方法,测量了Cu/Sn薄膜反应的动力学参数。研究者们发现室温下Cu6Sn5的生成是随时间线性的,而在115-150℃,Cu6Sn5的厚度因Cu3Sn的生成而减小,其减小趋势是抛物线性的,即厚度与时间的根号项成线性,如图1-4[16]。K.N.Tu进一步研究了Cu/Sn界面反应的两种情形:薄膜情形和块状情形(焊料反应)。薄膜情形下,Cu-Sn IMC的生成往往伴随着锡晶须生长;而在块状情形下,Cu6Sn5形貌并非均匀层,而是扇贝状,这是由于晶粒粗化效应造成的[17]。如图1-5所示,晶粒粗化的扩散方向导致小的晶粒不断减小,大的晶粒不断长大。

K.N.Tu和R.D.Thompson于1982年通过卢瑟福背散射光谱和X射线衍射的方法,测量了Cu/Sn薄膜反应的动力学参数。研究者们发现室温下Cu6Sn5的生成是随时间线性的,而在115-150℃,Cu6Sn5的厚度因Cu3Sn的生成而减小,其减小趋势是抛物线性的,即厚度与时间的根号项成线性,如图1-4[16]。K.N.Tu进一步研究了Cu/Sn界面反应的两种情形:薄膜情形和块状情形(焊料反应)。薄膜情形下,Cu-Sn IMC的生成往往伴随着锡晶须生长;而在块状情形下,Cu6Sn5形貌并非均匀层,而是扇贝状,这是由于晶粒粗化效应造成的[17]。如图1-5所示,晶粒粗化的扩散方向导致小的晶粒不断减小,大的晶粒不断长大。图1-5伴随晶粒熟化的焊料反应示意图,JD代表界面反应的扩散通量,JR代表晶粒熟化的扩散通量[17]

【参考文献】：
期刊论文
[1]Cu/NiW/Sn微凸点界面演变规律研究[J]. 吴杰飞,李超,李明.  电镀与涂饰. 2016(01)
[2]锡晶须生长机理研究的现状与问题[J]. 赵子寿,冼爱平.  中国有色金属学报. 2012(08)
[3]锡晶须及其抑制技术[J]. 刘艳新,任博成.  电子工艺技术. 2009(05)
[4]电子封装中电镀技术的应用[J]. 李明.  电镀与涂饰. 2005(01)

博士论文
[1]电沉积纯锡镀层的锡晶须生长与控制研究[D]. 刘婷.上海交通大学 2016



本文编号：2924904