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《北京理工大学》 2016年
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元素添加对锡基焊料/Cu基板间金属间化合物性能影响的实验研究与理论分析

张雪超  
【摘要】:目前,电子器件Sn基焊料与Cu凸点的互联是通过Sn/Cu界面反应实现的,在回流过程中,在界面处会形成薄厚不一的Cu-Sn金属间化合物层。而且随着电子产品高密度、小型化的发展,焊点中金属间化合物所占比例越来越大,金属间化合物层的厚度对互联焊点可靠性的影响日趋严重。采用合金元素添加是目前调节界面金属间化合物生长的主要手段。然而,元素添加对焊点界面金属间化合物生长影响机制的本质,以及对焊点抗剪切强度的影响原因尚缺乏深入分析。本论文采用熔炼的方法制备了Sn-xNi/Cu(x=0,0.1,0.3,0.5,0.8,1.2,1.6)、Sn-xCo/Cu(x=0,0.1,0.3,0.5,0.8,1.2,1.6)、Sn-xIn/Cu(x=0,0.3,0.6,0.9,1.2,1.5)、Sn-xZn/Cu(x=0,0.3,0.6,0.9,1.2,1.5)焊料合金。对比分析了Ni、Co、In、Zn四种合金元素的少量添加对Sn基焊料与Cu基板界面处金属间化合物生长规律的影响,并采用第一性原理方法计算分析了四种合金元素对Cu6Sn5 IMC生长规律影响的原因。同时,研究了Ni、Co、In、Zn四种合金元素对其掺杂的Sn基焊料球与Cu焊盘形成焊点的抗剪切强度的影响,并通过观测焊料基体金相、断口形貌和成分分析了影响原因。研究表明,经过回流或老化后,在Sn/Cu焊点界面存在Cu6Sn5和Cu3Sn两层金属间化合物,而添加Ni、Co、In、Zn后,界面Cu3Sn的形成受到强烈抑制,并发现Ni、Co、In、Zn掺杂的界面Cu6Sn5层厚度的关系是Ni Co non In Znddddd,即在相同添加量时,Ni、Co的添加促进了界面Cu6Sn5层的生长,In、Zn的添加抑制了界面Cu6Sn5层的生长。同时,界面Cu6Sn5 IMC的厚度随Ni、Co添加量的增加而增加,随In、Zn添加量的增加而减小。随着老化时间的增加,Sn/Cu、Sn-0.8Ni/Cu、Sn-0.8Co/Cu、Sn-0.9In/Cu、Sn-0.9Zn/Cu焊点界面Cu6Sn5 IMC的厚度呈近似线性增加,并且老化后界面Cu6Sn5 IMC的晶粒明显长大,可见Cu6Sn5 IMC的生长主要是受晶内扩散控制的。利用第一性原理方法计算了Ni、Co、In、Zn四种元素在不同掺杂情况下Cu6Sn5IMC的形成能,确定了其掺杂位置和对应的Cu6Sn5 IMC的稳定结构,当掺杂元素含量为2.27 at.%时,Co和Ni倾向于占据Cu(4e)位置,Zn和In倾向于占据Sn(4e)位置;当掺杂元素含量为4.55 at.%时,Ni和Co倾向于占据Cu(4e)位置,In和Zn分别倾向于占据Sn(4e)和Sn(8f1)位置。在Cu6Sn5 IMC中,通过对不同位置处Cu原子和Sn原子空位形成能以及对任意近邻位置间Cu原子和Sn原子迁移能的计算,确定了Cu在Cu6Sn5中是主要的扩散元素,并根据Cu原子沿各个方向迁移势垒的比较,发现了Cu原子在Cu6Sn5中迁移势垒最低的通道,该通道平行于Cu6Sn5中的[2,0,1]方向。计算了Ni、Co、In、Zn少量掺杂的Cu6Sn5 IMC中Cu原子在[2,0,1]扩散通道方向和其他方向的迁移势垒,发现Ni、Co、In、Zn的少量掺杂没有改变Cu原子最易迁移的通道方向,Cu原子沿着[2,0,1]方向迁移时,所需要克服的势垒依然最低。对比Ni、Co、In、Zn掺杂后Cu6Sn5 IMC中Cu原子在扩散通道内的迁移势垒大小,发现在掺杂量相同时,Cu原子沿[2,0,1]方向迁移时所需要克服的势垒大小关系是Ni Co non In Zn a a a a aQQQQQ,说明,与未掺杂元素Cu6Sn5 IMC结构中的nonaQ相比,少量Ni、Co的掺杂降低了Cu原子沿[2,0,1]方向迁移所需要的能量,而少量In、Zn的掺杂增加了Cu原子沿[2,0,1]方向迁移所需要的能量;随着Cu6Sn5中合金元素掺杂量的增加,Ni、Co的掺杂量越大,Cu原子沿[2,0,1]方向的迁移势垒越小,In、Zn的掺杂量越多,Cu6Sn5-based IMC中沿[2,0,1]方向Cu原子的迁移势垒越大。此计算结果与实验结果相符,很好地解释了不同合金元素添加对界面IMC生长的原因。焊料中Ni、Co、In、Zn的添加对焊料基体起到明显的细化晶粒作用,能够提高焊料的韧性和强度。通过对焊点断口的形貌和成分分析,发现焊点的抗剪切强度与焊料基体和焊点界面金属间化合物都有关系,其中焊料基体的强度对焊点的抗剪切强度起主要作用,焊料基体的晶粒细化,提高了焊点的抗剪切强度。
【关键词】:Ni Co In Zn Sn基焊料 老化 金属间化合物 扩散 第一性原理 抗剪切强度
【学位授予单位】:北京理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TG42
【目录】:
  • 摘要5-7
  • Abstract7-11
  • 第1章 绪论11-28
  • 1.1 研究背景11-20
  • 1.1.1 焊料与Cu基板的界面反应及作用11-13
  • 1.1.2 合金元素添加对金属间化合物形成和生长的影响及机理13-20
  • 1.2 第一性原理的应用20-27
  • 1.3 研究内容27-28
  • 第2章 计算原理与试验方法28-36
  • 2.1 试验方案和方法28-33
  • 2.1.1 焊料的制备28-29
  • 2.1.2 焊点模型的抗剪切力测试29-31
  • 2.1.3 热老化试验31
  • 2.1.4 试验样品组织观察与分析测试方法31-33
  • 2.2 材料模拟计算方法33-36
  • 2.2.1 第一性原理计算参数、模型和方法33-35
  • 2.2.2 晶内扩散的第一性原理计算方法35-36
  • 第3章 Ni、Co、In、Zn 对焊料/Cu界面金属间化合物生长影响的研究36-84
  • 3.1 Ni、Co、In、Zn 对焊料/Cu 界面金属间化合物生长影响的实验研究36-50
  • 3.2 Ni、Co、In、Zn掺杂焊料/Cu基板界面金属间化合物成分分析50-53
  • 3.3 Ni、Co、In、Zn对界面Cu_6Sn_5生长影响的第一性原理计算53-82
  • 3.3.1 Ni、Co、In、Zn取代的η`-Cu_6Sn_5相结构的确定53-72
  • 3.3.2 Ni、Co、In、Zn掺杂的η`-Cu_6Sn_5 Cu原子扩散通道的确定72-79
  • 3.3.3 Ni、Co、In、Zn对η`-Cu_6Sn_5中Cu原子扩散激活能的影响79-82
  • 3.4 本章小结82-84
  • 第4章 焊料基体组织结构和焊点抗剪切强度研究84-94
  • 4.1 Ni、Co、In、Zn掺杂焊料基体金相组织研究84-88
  • 4.2 Ni、Co、In、Zn掺杂焊料/Cu焊点抗剪切强度研究88-93
  • 4.3 本章小结93-94
  • 全文结论94-96
  • 参考文献96-104
  • 攻读学位期间发表论文与研究成果清单104-105
  • 致谢105

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