Sn-Ag系无铅焊料与单晶铜的界面反应

发布时间：2018-04-11 18:31

  本文选题：界面反应 + 无铅焊料　； 参考：《上海交通大学》2015年硕士论文

【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Sn-Ag合金的性能,其中最具有发展前景的是SnAgZn和SnAgCu合金。本文选取了Sn-3.5Ag-0.7Cu、Sn-2Ag-2.5Zn、Sn-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:Sn-3.5Ag-0.7Cu/Cu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Cu6Sn5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Cu6Sn5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Cu6Sn5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Cu3Sn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。Sn-2Ag-2.5Zn/Cu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Cu6Sn5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Cu6Sn5双层结构。时效过程中,Cu5Zn8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384h,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Cu3Sn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Cu3Sn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Cu3Sn呈不规则分布。Cu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。
[Abstract]:With the rapid development of high-density electronic packaging technology, the size and interconnect height of solder joints are decreasing, and the interface reaction and interface microstructure have more and more influence on the properties of solder joints.On the other hand, Sn-Ag alloy solder is considered to be the most ideal lead-free solder in packaging industry.However, the wettability and melting point of Sn-Ag binary alloy are still different from those of traditional tin lead solder.The properties of Sn-Ag alloys can be improved by adding other elements, among which the most promising ones are SnAgZn and SnAgCu alloys.In this paper, Sn-3.5Ag-0.7CuN Sn-2Ag-2.5ZnSn-2Ag-4Zn alloy was selected as solder alloy. The interfacial reaction of different solders and copper single crystals was studied by isothermal aging method using single crystal copper as substrate, and the analytical results of intermetallic compound Intermetallic component IMCwere obtained.In addition, the influence of interconnect height on the growth of solder joint IMC is also discussed.The results show that Cu6Sn5 intermetallic compounds are formed at the interface during reflux of the Sn-3.5 Ag-0.7Cu- / Cu solder joints. The dissolution rate of copper atoms on the surface of single crystal copper is faster, and a higher copper concentration region is formed in the solder near the copper side.The thickness of the formed Cu6Sn5 layer is larger than that of the polycrystalline copper. The Cu6Sn5 on the copper single crystal is prismatic and has a certain preferred orientation.With the increase of reflux temperature, the Cu6Sn5 of copper crystal gradually changed from scallop to prism.During the aging process, the intermetallic intermetallics layer became flat and the Cu3Sn layer appeared between the Cu6Sn5 layer and the copper substrate. The growth rate of Cu3Sn on the single crystal copper was higher than that on the polycrystalline copper. On the contrary, the growth rate of Cu3Sn on the single crystal copper was higher than that on the polycrystalline copper.The growth rate of Cu6Sn5 on single crystal copper is lower than that of Cu6Sn5 on polycrystalline copper. During the reflux process, the interface of Sn-2Ag-2.5Zn / Cu solder joint forms a continuous scalloped Cu6Sn5 layer, and the grain size of Cu6Sn5 formed on the surface of single crystal copper is larger than that of polycrystalline copper.When the Sn-2Ag-4Zn solder with high Zn content is used to weld, the double layer structure of Cu5Zn8 and Cu6Sn5 is formed at the interface.During aging, Cu _ 5Zn _ 8 is unstable and broken, and the direct contact between solder and copper substrate results in the rapid growth of Cu6Sn5.The interconnect height has certain influence on the interface reaction of Cu/SnAgCu/Cu.In the reflux process, the thickness of the interface IMC decreases with the decrease of the interconnect height.For 10 渭 m solder joints, when the aging time is 384h, the IMC of the upper and lower interfaces contacts with each other.The growth rate of Cu3Sn on Cu / SnAgCu / Cu solder joints is much higher than that on polycrystalline copper, and the growth rate of Cu3Sn on copper is much higher than that on polycrystalline copper.The main reason is that the Cu3Sn grains formed on Cu are columnar, and the grain boundaries are perpendicular to the surface of Cu (111), and the Cu3Sn atoms formed on polycrystalline copper exhibit irregular distribution. The diffusion rate of Cu atoms along grain boundaries is the fastest, resulting in the faster growth rate of Cu3Sn on Cu (111).
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG42

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本文编号：1737173