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微连接Cu/SAC305/Cu界面扩散动力学与几何尺寸关联研究

罗亮亮  
【摘要】:随着微电子器件向微型化、高性能方向发展,互连焊点的几何尺寸遵循摩尔定律以每十八个月翻一番的速度由毫米级缩小到几十微米甚至几微米。在此细观尺度下,焊点的力学性能参数和微观组织特征均呈现明显的几何尺寸效应,影响焊点的结构设计、可靠性分析及寿命评估。本文通过回流焊获得不同钎料层(扩散区)厚度(δ=15~50μm)的Cu/SAC305/Cu三明治结构扩散偶,在不同温度(120℃、140℃、160℃)下进行高温时效(t=0h、96h、216h、384h、600h)处理后,研究了几何尺寸依赖的界面IMC层生长动力学、焊盘金属层的消耗以及近界面区扩散元素的浓度分布,分析了扩散区厚度对界面元素扩散行为的影响。 研究结果表明,在回流焊后,在Cu层/体钎料的界面处形成扇贝状的Cu6Sn5金属间化合物,并且随着扩散区厚度的降低,Cu6Sn5层的厚度和比例呈现升高的趋势。在160℃高温时效过程中,在Cu层/Cu6Sn5界面处生成一层Cu3Sn金属间化合物。 扩散区厚度对高温时效过程中界面IMC层的转变有显著的影响。扩散区厚度越小,时效过程中界面处越有利于Cu3Sn层的生长,时效后Cu6Sn5层和Cu3Sn层的厚度比越小。同时,界面处Cu6Sn5与Cu3Sn的厚度比随着时效时间的延长呈现先降低后缓慢升高的趋势。随着扩散区厚度的降低,时效过程中Cu3Sn层、Cu6Sn5层和IMC层(Cu6Sn5层+Cu3Sn层)的生长速率都呈现减小的趋势,并且这种趋势在高温下表现得更加显著。 回流焊后焊盘Cu层的消耗随着扩散区厚度的降低而变化不大。然而在时效过程中焊盘Cu层的消耗与扩散区厚度呈正比,并且时效时间越长,这种扩散区厚度对Cu层消耗的影响趋势越显著。时效过程中可扩散区Cu和Sn的浓度差不同导致界面处Cu和Sn的扩散速率的不同,造成界面IMC层的生长和Cu层的消耗随着扩散区厚度的变化而呈现变化。 随着扩散区厚度的增大,回流和时效后扩散区中Cu的浓度呈现减小的趋势,Sn的浓度呈现增大的趋势。当微焊点缩小到细观尺度时,由于钎料基体量的限制,Cu、Sn的扩散会使扩散区的组元浓度发生很大的变化,进而又对界面元素的扩散造成影响。随着扩散区厚度的增大,界面反应后近界面区体钎料组织的硬度和抗蠕变性能降低。扩散区的成分和组织通过界面元素扩散发生变化,扩散区微观力学参数的尺寸依赖进一步证实了微焊点在界面反应过程中元素扩散的几何尺寸效应。 实验证明,在细观尺度下,扩散系数D不仅由温度和材料等因素决定,还受有限的可扩散层厚度的影响;界面IMC层的生长激活能Q亦与焊点界面的几何尺寸有关。在本实验条件下,扩散系数D与扩散区厚度δ近似满足抛物线关系:D=4.76×105δ2+1.93×105δ+0.023。扩散区厚度δ为15μm、30μm、50μm时,IMC层的生长激活能Q分别为104.76KJ/mol、114.40KJ/mol、136.59KJ/mol。


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