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无铅微互连焊点形成过程中早期界面反应和过冷凝固行为研究

周敏波  
【摘要】:随着电子产品和系统向微小化、轻量化和多功能化方向发展,无铅微互连焊点的尺寸逐渐减小,焊点中微观组织包括界面上不均匀分布的脆性金属间化合物(IMC)相对其可靠性的影响变得日益显著,而焊点在工艺热循环过程的界面冶金反应、凝固和过冷行为直接决定了其显微组织特征。目前,关于无铅微互连焊点凝固过程、过冷行为、界面质量传输和反应机制的系统研究仍很缺乏。本研究采用精密的差示扫描量热仪(DSC)将无铅微焊点形成过程中的熔化和凝固行为表征与焊点回流焊工艺相结合,采用该“DSC-回流”组合方法并通过微焊点界面反应产物的显微表征,研究了几种典型无铅钎料微焊点形成过程中固-固和固-液一体的早期界面反应机理,阐明了焊点尺寸、界面和钎料成分等因素对钎料及其焊点凝固过冷行为影响的原因,建立了微焊点尺度与过冷凝固行为特性和凝固组织特征之间的内在相关性,最后还系统研究了球栅阵列(BGA)结构Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu微焊点在接近及高于钎料熔化温度时的界面IMC的生长动力学以及Cu金属基底的溶蚀行为。 研究表明,微量La-Ce稀土可明显降低Sn-0.7Cu-0.05Ni钎料的凝固过冷度,而过冷度的降低致其组织中大块(Cu,Ni)_6Sn_5IMC初生相的生长得到明显抑制。对Sn/Cu(Ag,Ni, Co)二元互连焊点体系和Sn-3.5Ag/Cu三元互连焊点体系过冷凝固行为与组织演化规律进行研究后发现,纯Sn钎料与不同种类的金属基底(即Cu、Ag、Ni和Co)作用后界面反应特征明显不同且凝固过冷行为差异很大,其主要归因于互连焊点体系中Sn/IMC界面能的巨大变化:其中Sn/Cu和Sn/Ag两体系均具有较大的凝固过冷度且界面处均出现连续分布的扇贝状IMC层;Sn/Ni和Sn/Co两体系凝固过冷度很低,界面处均生成连续密排针状IMC。钎料中加入Cu后的合金化和Cu基底的界面反应均可明显降低Sn-3.5Ag钎料的凝固过冷度,但界面反应对钎料凝固过冷度的影响更为显著。对Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料焊球和Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu焊点的凝固过冷行为与组织演化的研究结果显示,焊球尺寸变化导致钎料及其焊点过冷度明显变化,焊球尺寸越小,过冷度越大;而Cu焊盘尺寸的变化对焊点凝固过冷度的影响极为微弱;焊球过冷行为的变化也导致其显微组织发生明显变化,即过冷度较大的焊球中出现了大块Ag_3Sn初生相,而过冷度较小的焊球中并未发现大块初生相。由于界面反应过程中基底Cu向钎料基体的饱和溶入,焊点钎料基体中均不同程度地出现大块Cu_6Sn_5初生相,同时Cu的饱和溶入抑制了Ag_3Sn初生相的析出。 对Sn/Cu和Sn/Ag二元互连体系早期界面反应的研究表明,在初期的固-固加热阶段由于体系中界面两侧原子的互扩散作用而引发界面冶金反应并生成金属间化合物,而且在界面局部区域形成二元合金过渡区以及该界面区域合金在明显低于纯Sn熔点的温度下发生共晶熔化,Sn/Cu和Sn/Ag体系分别在低于纯Sn熔点4.9°C和10.6°C的温度下发生界面熔化。Sn/Cu体系界面提前熔化带来的物理状态的改变引起界面能的巨变,进而导致了界面IMC形貌由平面状转化为扇贝状;而Sn/Ag体系界面物理状态的改变虽没有引起界面IMC形貌的改变,但无论界面处于固-固还是固-液状态,当界面区域Ag_3Sn晶粒持续生长并达到临界尺寸后其形貌发生改变,即由小尺寸不规则圆球演化为大尺寸规则多面体。研究还发现,Sn-3.5Ag钎料中Ag和Sn与金属基底Cu原子的互扩散在界面局部区域形成三元合金过渡区,致使该界面区域“钎料”(实际上是新形成的三元过渡合金)在低于Sn-3.5Ag熔点约4°C时即发生熔化,而这种提前熔化现象最易在界面处Sn-Ag_3Sn-Cu_6Sn_5三相接触区发生。界面区“钎料”的提前熔化一方面导致Sn/Cu_6Sn_5界面能的突变进而使界面IMC形貌发生改变,另一方面引起Ag和Sn原子在界面熔化区的固相Ag_3Sn颗粒上不断堆积长大,最终在界面Cu_6Sn_5层上长出条状的Ag_3Sn相。 对BGA结构Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu焊点在接近及高于钎料熔化温度等温时效过程中界面IMC生长与Cu基底的溶蚀行为的研究表明,当时效温度从钎料的起始熔化温度217oC升高至218oC时,Cu金属基底层的消耗量显著增大,且Cu基底发生溶蚀而进入钎料基体体积占总消耗体积比也由15.5%陡增至71.0%。在Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料的逐渐熔化过程中,界面IMC的生长与溶蚀过程明显受参与界面反应的液态钎料体积的影响,当温度从217oC升高至218oC时,界面IMC的溶蚀速率高于界面IMC的生长速率,IMC总厚度减小;当温度继续升高至230oC时,钎料全部熔化,Cu溶蚀进入钎料基体体积占其总消耗体积的比例仅略增至72.6%,IMC的生长速率又超过了IMC的溶蚀速率,IMC厚度达到三个温度条件的最大值。界面IMC的生长动力学研究结果表明,界面Cu_6Sn_5和Cu_3Sn层的生长分别受晶界扩散和体积扩散控制,但是晶界凹槽、晶粒粗化和界面IMC的溶蚀等因素对其生长行为的影响不容忽视。


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