低熔点In-Sn-Zn近共晶钎料的可靠性研究

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随着微电子行业无铅化的发展,In-Sn-Zn钎料凭借着良好的润湿性能、优良的导热性能以及低熔点等优势,在众多的无铅钎料中获得了较大的发展空间。但随着电子元器件集成度的提升和其应用场景多元化的不断发展,焊点的可靠性受到了更大的挑战,尤其是面临电迁移(Electromigration,EM)及基板/钎料间金属间化合物(Intermetallic Compounds,IMC)过快生长等问题的威胁。为了应对电子封装钎料发展过程中所暴露出的相关可靠性问题,针对In-Sn-Zn近共晶钎料,本文从合金组织演化机理、电迁移机理以及焊接界面IMC演化等三个方面开展研究。试验结合使用X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、能谱仪(EDS)对试样的物相组成、相形貌进行了分析;使用润湿动态可视化系统、差热扫描量热分析仪(DSC)、AGS-J10万能试验机及HV-1000A型显微硬度仪等对材料的润湿、热学、力学性能进行了表征。对近共晶In-Sn-Zn合金组织的演化机理研究表明:近共晶In-Sn-Zn合金由β、γ、Zn三相构成。合金的塑性受质软β相的影响较大,合金的强度受硬质γ相和Zn相的影响较大。当In含量一定,Zn的含量范围为6wt.%~9wt.%时,随着Zn相的增加,合金的显微硬度逐渐上升,合金的抗拉强度先增后减,延伸率先减后增;而当Zn含量一定,Sn的含量范围为46wt.%~52wt.%时,随着γ相的增多,合金的显微硬度、抗拉强度逐渐提升,延伸率逐渐降低。对近共晶In-Sn-Zn合金的电迁移研究表明:在其影响下,合金的阴极和阳极分别富集富In的β相(In3Sn)和富Sn的γ相(In Sn4)。β/γ两相的相分离是受电子风力和背应力耦合作用的。合金中不同区域间晶格畸变的差异是产生背应力的主要原因之一;β/γ两相的相互转变是以一种类似于调幅分解的方式进行的,相变的过程伴随Zn的析出与固溶;Zn所受的电子风力较小,向两极迁移的倾向不大。其倾向于沿相界作短距离扩散,且随着扩散的进行,逐渐重结晶成尺寸细小的等轴Zn颗粒。电迁移对合金组织形貌的影响,进一步改变了合金的性能。电迁移后,合金阴极的熔点及熔化区间均大于阳极,而阴极的焓变则小于阳极。且与电迁移前相比,合金阴阳两极的显微硬度均得到一定提升。对近共晶In-Sn-Zn钎料与Cu基板间IMC的演变过程研究表明:合金化Zn使得钎料与铜基板间焊接的抗拉强度及润湿性能下降,使得IMC的生长得到了有效抑制。扩散耦中IMC为双层结构:近Cu基板一侧固-固扩散形成的?-Cu3(In,Sn)相和近钎料一侧液-固扩散形成的η-Cu2(In,Sn)相;在近共晶50In-50Sn/Cu扩散耦中加入Zn后,Cu的扩散受到了明显抑制。Zn表现出了较高的活性,抑制了钎料中主元素(In/Sn)的消耗,使得?-Cu3(In,Sn)相的厚度明显减小。?-Cu3(In,Sn)相的生长消耗了一定量的η-Cu2(In,Sn)。在50In-44Sn-6Zn/Cu扩散耦中,?-Cu3(In,Sn)是晶界扩散控制的(n=0.31)。而在50In-50Sn/Cu扩散耦中,由于η-Cu2(In,Sn)相的缓慢生长,?-Cu3(In,Sn)的时间常数n下降到了0.19。
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