【摘 要】
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随着电子产品朝着小型化、高集成度化的方向发展,沙漏型焊点互连技术凭借其缩短焊点尺寸、节距而大幅增加I/O端口数和极大地改善电迁移的优点而受到广泛的关注。但由于沙漏型焊料互连接头独特的几何结构以及界面金属间化合物的过度生长,使得接头的力学性能较差并容易产生严重的可靠性问题。为了适应电子产品小型化的发展趋势,需要利用新工艺和新材料制备出具有优良可靠性的沙漏型互连接头。本文采用复合电镀的方法,通过控制镀
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随着电子产品朝着小型化、高集成度化的方向发展,沙漏型焊点互连技术凭借其缩短焊点尺寸、节距而大幅增加I/O端口数和极大地改善电迁移的优点而受到广泛的关注。但由于沙漏型焊料互连接头独特的几何结构以及界面金属间化合物的过度生长,使得接头的力学性能较差并容易产生严重的可靠性问题。为了适应电子产品小型化的发展趋势,需要利用新工艺和新材料制备出具有优良可靠性的沙漏型互连接头。本文采用复合电镀的方法,通过控制镀层厚度制备出沙漏型Sn-Ag3Sn纳米颗粒和Sn-Ag复合焊料互连接头。对比研究了Ag3Sn纳米颗粒和Ag元素的添加量对复合镀层熔化性能和润湿性能的影响以及在150℃热老化和高低温循环(-45-150℃)测试过程中对焊料-铜界面金属间化合物层的生长及互连接头强度的影响规律;同时讨论了互连接头形状在不同热服役环境下对互连接头界面金属间化合物的生长及强度的影响规律。研究结果表明,Ag3Sn纳米颗粒和Ag元素的添加均能改善复合镀层的表面形貌;降低复合镀焊料的熔化温度,有利于推动新型复合焊料在未来低温键合技术的应用;并能改善复合镀焊料的润湿性能。当Ag3Sn纳米颗粒添加量为0.40.8 wt.%时,焊料的熔化温度明显降低,润湿性能明显提高;随着Ag元素添加量的增加,焊料的熔化温度逐渐下降,润湿性能逐渐提高。Ag3Sn纳米颗粒添加对熔化温度的降低效果优于Ag元素添加,而Ag元素添加对润湿性能的改善效果优于Ag3Sn纳米颗粒添加。在150℃热老化测试过程中,适量Ag3Sn纳米颗粒的添加能够抑制沙漏型互连接头界面金属间化合物层的生长,同时提高接头的剪切强度。当Ag3Sn纳米颗粒的添加量为0.8 wt.%时,界面金属间化合物的厚度最薄,生长速率常数最小,剪切强度也最大,具有良好的热老化可靠性。基于吸附理论分析了添加Ag3Sn纳米颗粒对界面金属间化合物生长的影响机理。界面金属间化合物的厚度和生长速率均随着Ag元素添加量的逐渐增加而增大。与添加Ag元素的复合焊料互连接头相比,Ag3Sn复合焊料互连接头界面金属间化合物的厚度更小,从而减弱了由界面金属间化合物过度生长而引起的接头力学性能的劣化作用,因此互连接头的剪切强度更大。在高低温循环(-45℃-150℃)测试过程中,互连接头界面金属间化合物厚度随着循环次数的增加而逐渐增大。随着Ag3Sn纳米颗粒添加量的增加,界面金属间化合物的厚度和生长速率呈现先减小后增大的规律,沙漏型接头剪切强度先增大后减小。而随着Ag元素添加量的增加,互连接头界面金属间化合物的厚度和生长速率及互连接头的剪切强度均呈现增大的趋势。当Ag3Sn纳米颗粒的添加量为0.8 wt.%时,各时刻界面金属间化合物厚度最低,互连接头剪切强度最大,具有良好的高低温循环可靠性。对不同形状互连接头在热老化和高低温循环过程中的各项性能研究表明,焊料均为Sn时,互连接头形状对界面金属间化合物层的生长影响较小,鼓型互连接头的剪切强度大于沙漏型接头。但0.8 wt.%Ag3Sn纳米颗粒的添加能够大幅提高沙漏型互连接头的可靠性,较之鼓型Sn互连接头具有更高的热可靠性。
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