共晶无铅合金对Cu、Ag界面金属间化合物形核与生长的影响

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微电子封装互连技术向微型化、无铅化和高性能方向发展的趋势对电子封装微互连焊点的可靠性提出了新的挑战。焊点制备与服役过程中的界面反应问题对于微焊点失效机理研究和更高性能的互连结构的开发具有指导意义。其中,金属间化合物(Intermetallic Compound,IMC)晶粒尺寸是互连焊点界面反应研究与可靠性分析的关键因素。共晶钎料成分对应的界面反应IMC晶粒尺寸与一般规律不符,对此目前尚缺乏系统性研究与分析。因此,本论文以电镀Ag、轧制Ag、轧制Cu三种凸点下金属化层(Under Bump Metallization,UBM)材料和纯Sn、Sn0.7wt.%Cu、Sn3.5wt.%Ag三种无铅钎料对应组成的六种单侧微凸点为研究对象,对其液固回流和固固时效界面反应相关参数和反应动力学进行了系统研究与对比,通过理论推导与计算对基体材料和钎料初始基体原子浓度对于界面反应IMC生长行为的影响做出了解释。主要结论如下:(1)对界面反应IMC晶粒尺寸的研究发现,轧制Ag和轧制Cu基体的界面反应中均存在共晶成分钎料与纯Sn钎料相比对应IMC晶粒尺寸异常细小的现象,且轧制Ag基体与轧制Cu基体相比两种钎料成分对应IMC晶粒尺寸差异更小。这是因为,界面反应初期IMC晶粒尺寸受形核过程主导,理论推导和计算结果表明共晶钎料成分对应IMC形核率最高,晶粒尺寸最小;界面反应后期IMC晶粒尺寸受熟化过程主导,Ag原子与Cu原子相比在Sn中的饱和溶解度更高,熟化生长程度更大,对应的两种成分钎料之间IMC晶粒尺寸差异更小。(2)对界面反应IMC形貌的研究发现,Ag3Sn因其晶粒表面的局部成分过冷而使得液固界面反应形貌(块状)与Jackson因子计算结果(240℃,0.51)不相符,但更接近平衡状态的固固界面反应形貌(扇贝状)则与Jackson因子计算结果(150℃,0.50)相符;Cu6Sn5由于晶粒表面成分过冷较小,在液固和固固界面反应中的形貌(扇贝状)均与相应的Jackson因子计算结果(150℃,0.82;240℃,1.22)相符。(3)固固时效界面反应中Sn0.7wt.%Cu钎料对应的界面Cu3Sn生长受到抑制。这是因为共晶钎料成分对应初始Cu6Sn5晶粒细小,较高的晶界占比使得Cu原子难以在Cu6Sn5和Cu3Sn界面富集,从而抑制Cu3Sn的生长。(4)对液固和固固界面反应相关参数和动力学拟合结果表明,UBM溶解行为的差异对于界面反应IMC生长具有较大影响,且本研究中UBM溶解速率存在如下规律:电镀Ag>轧制Ag>轧制Cu,纯Sn>Sn0.7wt.%Cu(或Sn3.5wt.%Ag)。
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