等温回流时Cu/Sn/Cu微尺度焊点界面IMC生长行为与晶粒演变研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhuyi9021
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目前,先进封装技术已成为延续摩尔定律的有效手段之一。在先进封装中,微尺度焊点(高度低于30μm)已被广泛使用。对于Cu/Sn/Cu结构微焊点,在多次或长时间回流焊或热压键合后,由于尺寸效应,界面金属间化合物(Intermetallic compound,IMC)生长速度较快,微焊点将主要由Cu-Sn型IMC相构成。因此,深入认识并有效控制微尺度焊点中界面IMC的生长行为,对提升先进封装微互连焊点的性能及可靠性,具有重要意义。在本研究中,采用了两种Cu镀层作为微焊点基体,即传统电镀Cu基体和新型电镀纳米晶Cu(Nanocrystalline Cu,nc-Cu)基体,分别研究了基于这两种Cu镀层的界面IMC生长行为。主要的研究结果如下:基于传统Cu镀层的Cu/Sn(12μm)/Cu微焊点,在回流焊过程中,扇贝状的Cu6Sn5IMC是界面反应的主要产物。Cu6Sn5的总厚度和Cu镀层的消耗量都随回流时间呈抛物线关系,并且其对数形式遵循良好的线性关系。随着反应时间的延长,Cu6Sn5晶粒的数量减少,并且Cu6Sn5晶粒的[0001]轴与IMC的生长方向(垂直于微焊点界面)之间的夹角总体上趋于减小,从而表现出织构特征。这是由于Cu原子含量丰足时,Cu6Sn5晶粒会沿其[0001]晶向择优生长。同时,Cu6Sn5晶粒的演化过程中还存在晶粒合并行为,初步推断合并机制属于晶界迁移。这个过程中Cu3Sn也在慢慢增厚,柯肯达尔孔洞也随之生成。基于新型nc-Cu镀层的nc-Cu/Sn(12μm)/nc-Cu微焊点的界面反应行为与传统Cu镀层的反应现象明显不同。在回流初期,Cu6Sn5 IMC呈层状生长,而不是传统的扇贝状。进一步分析发现,Cu6Sn5层具有双层结构,靠近nc-Cu基体一侧的Cu6Sn5晶粒较为细小,靠近钎料一侧的Cu6Sn5晶粒较为粗大。随着回流时间的延长,靠近钎料一侧的Cu6Sn5由颗粒状逐渐转变为棒状,并向四周延伸。该棒状晶粒的长轴方向即为其[0001]晶轴方向,这与Cu6Sn5晶粒的择优生长有关。这种现象可归因于nc-Cu基体中存在大量的晶界,有利于Cu原子向反应界面及液态钎料中快速扩散,使液态钎料在反应过程中始终具有较高的Cu含量,利于钎料侧Cu6Sn5晶粒长大;同时,Sn原子也容易扩散到nc-Cu基体中,生成细晶状Cu6Sn5。这也使得Cu不易在Cu/IMC界面上聚集,从而有效抑制了Cu3Sn的形成,也避免了柯肯达尔孔洞和裂纹的产生。
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