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跨尺度Sn-Ag-Cu/Cu微焊点界面IMC生长演化行为和力学性能研究

赵星飞  
【摘要】:随着集成电路三维封装和集成技术的迅速发展,电子产品和系统的封装密度越来越高,在同一封装体系中具有电气互连和机械互连作用的焊点的尺寸变化跨度很大,包含十几微米的微凸点焊点到几百微米的BGA焊点等。焊点尺寸的变化将显著影响界面反应过程中界面金属间化合物(IMC)的生长和形貌演化,进而影响焊点的性能和可靠性。本论文采用植球法制备了各种尺度的微焊点,并系统研究了焊点尺寸(体积)、铜焊盘(基底)类型和回流工艺对Sn-Ag-Cu焊球与铜焊盘界面反应过程中界面IMC晶粒生长和形貌演化及焊点剪切行为的影响。本论文研究的主要内容和获得的研究结果如下:通过对不同尺寸(直径分别为60、100、200、400和600μm)的Sn3.0Ag0.5Cu/Cu微焊点在回流过程中界面IMC生长和形貌演化以及焊点剪切行为的研究发现,回流时间为10 s时,界面IMC晶粒尺寸随焊球直径的减小而逐渐增大;当回流时间为60 s和300 s时,界面IMC晶粒尺寸随焊球直径的减小呈先增大后减小趋势,其中当焊球直径为200μm时达到最大值。在100μm/s的剪切速率下,焊点的剪切强度随焊点尺寸的减小而逐渐增大,表现出明显的尺寸效应;但随回流时间的延长,焊点的剪切强度几乎不变。剪切过程中焊点的断裂位置与焊点的尺寸和回流时间有关,当焊点尺寸小于200μm时,断裂均发生在钎料内部;当焊点尺寸为400μm和600μm时,随回流时间的延长,焊点中断裂位置逐渐由钎料内部转移到IMC与钎料界面附近。系统研究直径为20-60μm的Sn0.3Ag0.7Cu焊球与多晶铜基底的界面反应中界面IMC生长和形貌演化规律后发现,随回流时间延长界面IMC晶粒熟化方式由奥斯瓦尔德熟化(Ostwald ripening)转变为晶界迁移熟化,IMC晶粒形貌逐渐由边界光滑的扇贝状转变为边界崎岖的拼图状,最后又转变为扇贝状;随微凸点焊点尺寸的减小,表面扩散在界面反应中占比逐渐增大,使得界面IMC晶粒尺寸呈现减小先减小后增大的趋势。通过对Sn-Ag-Cu焊球与单晶(001)Cu基底的界面反应中界面IMC晶粒的生长和形貌演化的研究发现,250℃回流时无论焊点成分为Sn3.0Ag0.5Cu还是Sn0.3Ag0.7Cu,只要焊点尺寸不大于60μm时,焊点界面IMC晶粒均呈现扇贝状;在300℃时,尺寸较小的焊点(直径不大于60μm)界面IMC晶粒为扇贝状,而尺寸较大的焊点(直径为600μm)中界面IMC晶粒呈现出互相垂直且规则排列的棱晶状。


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