無(wú)鉛微電子封裝互連焊點(diǎn)中的尺寸效應(yīng)研究

李望云 尹立孟 位 松 許章亮

（重慶科技學(xué)院，重慶 401331）

無(wú)鉛微電子封裝互連焊點(diǎn)中的尺寸效應(yīng)研究

李望云 尹立孟 位 松 許章亮

（重慶科技學(xué)院，重慶 401331）

從微焊點(diǎn)的界面反應(yīng)與組織演化，以及微焊點(diǎn)的力學(xué)行為與性能等方面，闡述無(wú)鉛微互連焊點(diǎn)尺寸效應(yīng)研究的現(xiàn)狀。

微焊點(diǎn)；界面反應(yīng)；力學(xué)行為；尺寸效應(yīng)

近年來(lái)，電子產(chǎn)品不斷向輕薄化、微小化、低能耗化、多功能化以及高可靠性等方向迅速發(fā)展，封裝高密度化更使得焊點(diǎn)尺寸不斷縮小。當(dāng)焊點(diǎn)尺寸縮小至幾百微米時(shí)，其材料與塊體釬料之間表現(xiàn)出明顯差異，這種由于尺寸變化而引起材料行為和性能變化的現(xiàn)象即為尺寸效應(yīng)。

互連焊點(diǎn)是電子封裝系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)中非常重要的部分，主要承擔(dān)機(jī)械連接、電氣連接與散熱通道等關(guān)鍵功能。大部分電子產(chǎn)品的故障是由于微互連焊點(diǎn)的失效直接造成的，電子封裝互連焊點(diǎn)微小化后帶來(lái)的尺寸效應(yīng)進(jìn)一步增加了其失效的概率[1]。因而，焊點(diǎn)的尺寸效應(yīng)對(duì)電子元器件可靠性的影響日益受到關(guān)注與重視。具體來(lái)說(shuō)，焊點(diǎn)尺寸大小對(duì)焊點(diǎn)的界面反應(yīng)與組織演化以及焊點(diǎn)的力學(xué)行為與性能有著重要影響，表現(xiàn)出明顯的尺寸效應(yīng)。本文主要從上述兩個(gè)方面進(jìn)行深入分析與討論。

1 微焊點(diǎn)界面反應(yīng)與組織演化的尺寸效應(yīng)

已經(jīng)知道，焊點(diǎn)釬料在再流焊（重熔）時(shí)的界面反應(yīng)及隨后界面金屬間化合物（Intermetallic Compounds,IMC）的生長(zhǎng)和演化對(duì)互連焊點(diǎn)的可靠性將會(huì)產(chǎn)生非常重要的影響。隨著電子封裝中互連焊點(diǎn)幾何尺寸的縮小，微小焊點(diǎn)內(nèi)所含的合金元素絕對(duì)量隨之減少，一些微量合金元素可能被部分甚至全部消耗于凸點(diǎn)下金屬化層（Under Bump Metallization,UBM）的界面反應(yīng)中，導(dǎo)致成形后焊點(diǎn)的成分發(fā)生顯著改變，并且單側(cè)基板與雙側(cè)基板的界面反應(yīng)情況不完全相同。

1.1 單側(cè)基板界面反應(yīng)的尺寸效應(yīng)

（1）焊點(diǎn)尺寸對(duì)金屬間化合物層厚度的影響。有的研究人員采用直徑為500、760μm的 SnAgCu和SnPb釬料球（Solder Ball），對(duì)釬料與Cu基板的界面反應(yīng)進(jìn)行研究［2-3］。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，釬料用量大（或體積/直徑較大者）的焊點(diǎn)在重熔過(guò)程中與相同尺寸的Cu凸點(diǎn)下金屬化層反應(yīng)所消耗的量更多，而界面金屬間化合物的平均厚度則較薄；反之，釬料用量小的焊點(diǎn)在重熔時(shí)的消耗量相對(duì)少些，同時(shí)界面IMC層的平均厚度較厚。Ourdjini等采用直徑分別為300、500、700μm的SnAgCu和SnPb釬料球與Ni(P)-Au凸點(diǎn)下金屬化層界面發(fā)生反應(yīng)，得到類似結(jié)論：小體積釬料球界面反應(yīng)IMC生長(zhǎng)更快，IMC層也更厚［4］。Choi等采用差示掃描量熱法（Differential Scanning Calorimetry,DSC）對(duì)焊點(diǎn)的體積尺寸效應(yīng)進(jìn)行了研究，指出IMC層將隨Sn層厚度（相當(dāng)于焊點(diǎn)體積/大?。┑臏p小而增加［5］。

出現(xiàn)上述結(jié)果的主要原因在于：①在回流焊時(shí)，熔融的釬料首先與UBM反應(yīng)生成一層IMC（反應(yīng)機(jī)制），之后的反應(yīng)過(guò)程中，在已形成的IMC界面上形核所需的能量相比重新自然形核所需的能量要小得多，而小體積焊點(diǎn)比大體積焊點(diǎn)在隨后新形成IMC形核時(shí)更易找到已形成的IMC界面作為形核的基點(diǎn)；②小體積焊點(diǎn)的體積與焊盤面積比值相對(duì)較小，因而液體釬料中達(dá)到Cu濃度的飽和其所需擴(kuò)散的距離更小，進(jìn)而為IMC的進(jìn)一步長(zhǎng)大創(chuàng)造了條件。

（2）焊點(diǎn)尺寸與Cu含量對(duì)IMC種類的影響。Ho等人采用不同焊點(diǎn)直徑釬料球（300、500、760μm），對(duì)含Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%、0.5%、0.6%的SnAgCu釬料與Ni凸點(diǎn)下金屬化層的界面反應(yīng)進(jìn)行研究［6］。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)釬料中Cu的質(zhì)量濃度一定時(shí)，隨著釬料球體積的減小，焊點(diǎn)中可用的Cu含量逐漸減少，從而使界面反應(yīng)生成物由單一的(Cu,Ni)6Sn5金屬間化合物變?yōu)?Cu,Ni)6Sn5與(Cu,Ni)3Sn4兩種IMC；而當(dāng)焊點(diǎn)直徑較小時(shí)，即使Cu的質(zhì)量濃度高達(dá)0.7%，但受焊點(diǎn)體積的限制，可用Cu的總量仍無(wú)法滿足供應(yīng)需求，從而界面反應(yīng)生成物中只出現(xiàn)(Cu,Ni)3Sn4金屬間化合物。

1.2 雙側(cè)基板界面反應(yīng)的尺寸效應(yīng)

隨著微電子封裝系統(tǒng)與焊點(diǎn)尺寸的減小，焊點(diǎn)雙側(cè)基板的距離也相應(yīng)縮短，進(jìn)而導(dǎo)致雙側(cè)基板的界面反應(yīng)出現(xiàn)明顯不同的交互作用（Interaction）。

（1）焊點(diǎn)尺寸大小對(duì)IMC種類的影響。目前替代傳統(tǒng)SnPb合金的無(wú)鉛釬料以SnAgCu、SnAg和SnCu為代表，其Sn含量均超過(guò)90%，同時(shí)電子封裝結(jié)構(gòu)中通常采用的“基板/釬料/基板”三明治焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜（特別是包含不同的UBM）。于是有研究［7］直接采用“Cu/Sn/Ni”焊點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)化研究，并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱時(shí)效時(shí)間較短時(shí)，在Sn/Ni側(cè)生成了(Cu,Ni)6Sn5而不是Ni3Sn4，而在Sn/Cu側(cè)卻生成不含Ni的Cu6Sn5。隨著熱時(shí)效的延長(zhǎng)，雖然兩側(cè)都會(huì)出現(xiàn)(Cu,Ni)6Sn5，但Ni基板側(cè)的(Cu,Ni)6Sn5厚度明顯高于Cu基板側(cè)。而當(dāng)Sn層的厚度增大時(shí)，Cu基板側(cè)的(Cu,Ni)6Sn5中Ni含量更小，但Ni基板側(cè) (Cu,Ni)6Sn5中Cu的濃度受影響卻較小。

另有研究采用“Ni/Sn3.5Ag/Cu”三明治結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)研究焊點(diǎn)兩側(cè)界面的反應(yīng)情況［8］。結(jié)果表明，由于Cu在兩側(cè)UBM層的溶解度不同，在Ni凸點(diǎn)下金屬化層側(cè)形成的IMC為(Cu,Ni)6Sn5而不是Ni3Sn4，并且Cu凸點(diǎn)下金屬化層側(cè)所形成的化合物中卻很少含 Ni。Tsi等［9］對(duì)直徑為125μm 的 SnPb 焊點(diǎn)與 Cu、Au/Ni/Cu凸點(diǎn)下金屬化層兩次重熔后的界面反應(yīng)進(jìn)行了研究，也發(fā)現(xiàn)Ni凸點(diǎn)下金屬化層一側(cè)IMC為(Cu,Ni)6Sn5。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，(Cu,Ni)6Sn5的形成降低了Ni層的消耗，也加速了Cu層的消耗。這主要是由Cu、Ni在Sn中的擴(kuò)散速率不同引起的，Cu在Sn中的擴(kuò)散速率明顯高于Ni在Sn中的擴(kuò)散速率，在短時(shí)間內(nèi)Ni很難擴(kuò)散到Cu側(cè)，而Cu卻能很快擴(kuò)散到Ni側(cè)。因此，長(zhǎng)時(shí)間熱時(shí)效雖使兩側(cè)都有(Cu,Ni)6Sn5，但終因Cu、Ni擴(kuò)散速度的差異而使兩側(cè)IMC中Ni的含量不同。也就是說(shuō)，當(dāng)Sn層厚度（或無(wú)鉛Sn基釬料體積）增加時(shí)，在Cu基板側(cè)(Cu,Ni)6Sn5中Ni的含量相對(duì)更少。

（2）焊點(diǎn)尺寸大小對(duì)IMC形貌的影響。Xia等對(duì)“Cu/SnAgCu/Ni”結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)兩界面的交互作用研究表明［10-11］，焊點(diǎn)兩側(cè)的UBM層之間存在劇烈的交互作用，由于Cu與Ni的擴(kuò)散使得兩側(cè)都形成了(Cu,Ni)6Sn5，對(duì)于Cu凸點(diǎn)下金屬化層一側(cè)，無(wú)論采用何種釬料，(Cu,Ni)6Sn5都呈扇貝狀且其中Ni含量較少，而Ni凸點(diǎn)下金屬化層側(cè)，如果采用SnAgCu釬料，(Cu,Ni)6Sn5為針狀，若采用SnPb釬料，(Cu,Ni)6Sn5的形貌則依賴于其中Ni的含量。

另外需指出的是，實(shí)際焊點(diǎn)中的UBM層往往含有Au層。Chang與Chen等對(duì)Cu和Au凸點(diǎn)下金屬化層與釬料的界面反應(yīng)進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)Cu是主要的擴(kuò)散元素，同時(shí)Cu對(duì)釬料內(nèi)的Au有清理作用。即焊點(diǎn)一側(cè)存在Cu凸點(diǎn)下金屬化層時(shí)，Au不能以(Au,Ni)Sn4形式存在；另外，Au可以抑制焊點(diǎn)Ni、Cu 凸點(diǎn)下金屬化層的 IMC 生長(zhǎng)［12-13］。

2 微焊點(diǎn)力學(xué)行為和性能的尺寸效應(yīng)

有研究認(rèn)為焊點(diǎn)的性能主要決定于特征長(zhǎng)度和尺寸參數(shù)（組織微結(jié)構(gòu)）兩個(gè)因素［14］，且由于尺寸效應(yīng)的存在，當(dāng)電子元器件中互連焊點(diǎn)的體積小于10-12m3，通過(guò)體釬料獲取的相應(yīng)數(shù)據(jù)將不能保證微焊點(diǎn)/凸點(diǎn)的可靠性［15］。真實(shí)微焊點(diǎn)在服役時(shí)，由于焊點(diǎn)釬料與其他封裝材料之間的熱膨脹系數(shù)不同，焊點(diǎn)將承受拉伸、剪切、蠕變等各種力學(xué)載荷的復(fù)雜作用，嚴(yán)重威脅微焊點(diǎn)與微電子封裝系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的可靠性，并且呈現(xiàn)出不同的力學(xué)行為與性能尺寸效應(yīng)。

2.1 微焊點(diǎn)在拉伸載荷作用下的尺寸效應(yīng)

一般情況下，微焊點(diǎn)拉伸斷裂強(qiáng)度符合Orowan公式:

即焊點(diǎn)的高度/直徑（t/d）比值越小，焊點(diǎn)拉伸斷裂強(qiáng)度越高［15］，且在焊點(diǎn)高度變化時(shí)，焊點(diǎn)的拉伸斷裂部位由高度較大時(shí)的釬料中間斷裂變?yōu)楹穸容^小時(shí)的IMC/釬料界面處斷裂。已有研究采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究更小尺寸的 “Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu”焊點(diǎn)，相同直徑（d=200μm），不同厚度（分別為75、125、175、225μm），其結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了上述結(jié)論。另有研究［16-17］采用相同的方法，發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)的拉伸強(qiáng)度并不總是符合Orowan公式。當(dāng)焊點(diǎn)高度（t=225μm）一定，焊點(diǎn)直徑d由475μm減小到200μm時(shí)，雖然d/t值減小，而焊點(diǎn)的拉伸斷裂強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變卻都增加，不過(guò)焊點(diǎn)的拉伸斷裂強(qiáng)度與焊點(diǎn)體積（d2t）之間存在一反比例關(guān)系。由于小直徑焊點(diǎn)所受力學(xué)約束程度較低，且焊點(diǎn)中部約束最低，而大直徑焊點(diǎn)受到較高的約束水平，致使焊點(diǎn)界面應(yīng)力較大，從而斷裂部位由大直徑時(shí)的界面斷裂變?yōu)樾≈睆綍r(shí)的釬料中間斷裂。

此外，電遷移和熱時(shí)效作用下的SnAgCu微焊點(diǎn)的拉伸斷裂強(qiáng)度變化研究發(fā)現(xiàn)［18］，直徑（d=300μm）不變時(shí)，隨焊點(diǎn)高度t的減小（由300μm減小到100μm），電遷移對(duì)微焊點(diǎn)拉伸強(qiáng)度的退化作用減弱，而熱時(shí)效對(duì)焊點(diǎn)拉伸強(qiáng)度的差異影響較小。還有研究者［19］從界面斷裂行為的角度，對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)拉伸載荷下的Sn3.0Ag0.5Cu和Sn37Pb釬料進(jìn)行了研究，認(rèn)為焊點(diǎn)直徑d不變且高度t減小時(shí)，其界面裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力減小，而焊點(diǎn)的抗斷裂能力提高，且界面裂紋尖端剪切型裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力KⅡ值明顯高于張開型裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力KⅠ值。

2.2 微焊點(diǎn)在剪切載荷作用下的尺寸效應(yīng)

相對(duì)于拉伸載荷而言，實(shí)際焊點(diǎn)承受剪切載荷更為常見(jiàn)且對(duì)焊點(diǎn)的破壞作用更大。采用推球法研究不同尺寸焊點(diǎn)的剪切行為，發(fā)現(xiàn)Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊點(diǎn)剪切斷裂行為和性能也存在尺寸效應(yīng)，焊點(diǎn)體積越小剪切強(qiáng)度越大，且剪切斷裂模式由大體積時(shí)近焊盤處的脆性斷裂變?yōu)殁F料塊體內(nèi)部的剪切斷裂［20］。造成其剪切強(qiáng)度和斷裂模式差異的根本原因是，不同大小焊點(diǎn)內(nèi)Ag3Sn的形態(tài)、分布不同。大體積焊點(diǎn)內(nèi)樹枝網(wǎng)狀分布的Ag3Sn使焊點(diǎn)強(qiáng)度低，表現(xiàn)出硬脆性，小體積焊點(diǎn)內(nèi)彌散分布的顆粒狀A(yù)g3Sn對(duì)焊點(diǎn)具有強(qiáng)化作用，而且能使旱焊點(diǎn)具有良好的塑性。

2.3 微焊點(diǎn)在蠕變載荷下的尺寸效應(yīng)

SnAg、SnAgCu釬料的體釬料和小體積焊點(diǎn)比較研究發(fā)現(xiàn)，焊點(diǎn)的體積和成分之間存在一定的關(guān)系，即小體積焊點(diǎn)對(duì)釬料成分的依賴性大于體釬料。體釬料的應(yīng)力指數(shù)與合金類型及加熱溫度都沒(méi)有關(guān)聯(lián)，而小焊點(diǎn)的應(yīng)力指數(shù)隨溫度升高而降低，并且二者的形核、長(zhǎng)大機(jī)制也不同［21］。

剪切蠕變條件下存在無(wú)鉛釬料厚度的尺寸效應(yīng)［22］。焊點(diǎn)的剪切蠕變性能將隨焊點(diǎn)厚度減小而降低，且當(dāng)焊點(diǎn)較薄時(shí)，釬料中的缺陷、空洞的數(shù)量相對(duì)較少，焊點(diǎn)斷裂主要由IMC引起，而焊點(diǎn)較厚時(shí)，焊點(diǎn)斷裂轉(zhuǎn)而由焊點(diǎn)內(nèi)部的缺陷、空洞等引起。焊點(diǎn)缺陷、孔洞等在與電流相互垂直方向上的等效面積與焊點(diǎn)厚度存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系,電阻應(yīng)變和蠕變應(yīng)變都與焊點(diǎn)厚度之間存在定量關(guān)系：

3 結(jié) 語(yǔ)

焊點(diǎn)的極小化趨勢(shì)使得其尺寸效應(yīng)問(wèn)題越來(lái)越突出，而尺寸效應(yīng)問(wèn)題對(duì)微焊點(diǎn)可靠性的影響日益嚴(yán)重，因此這一問(wèn)題無(wú)疑在今后相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)將成為微電子封裝領(lǐng)域業(yè)界與學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)，特別是以下一些問(wèn)題亟待進(jìn)一步深入研究：

（1）研發(fā)系列新型無(wú)鉛釬料（球），使不同體積釬料在再流焊重熔與焊點(diǎn)成形時(shí)能按照工藝進(jìn)行預(yù)期合適的界面反應(yīng)；

（2）理解微焊點(diǎn)在兩種甚至多種載荷交替或耦合作用下力學(xué)行為與性能的尺寸效應(yīng)機(jī)理；

（3）IMC在焊點(diǎn)中所占的比例不斷增大，有必要建立IMC層的厚度與微焊點(diǎn)力學(xué)行為與性能之間的定量關(guān)系；

（4）如何采用有效的數(shù)值模擬方法來(lái)理解50μm（甚至更?。┲睆胶更c(diǎn)的界面反應(yīng)過(guò)程、組織演化以及力學(xué)性能等，因?yàn)榧磳⒊蔀橹髁鞯?0μm直徑焊點(diǎn)的制備與表征目前尚比較困難。

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Size Effect of Solder Joint Interconnection on Lead-free Microelectronic Packaging

LI Wang-yun YIN Li-meng WEI Song XU Zhang-liang
(Chongqing University of Science and Technology,Chongqing 401331)

In this paper,interfacial reaction and evolution of microstructure,mechanical behaviors and properties of microscale solder joints are reviewed.Research status and development trends of size effects in lead-free microscale solder joints were also stated.

microscale solder joint；interfacial reaction；mechanical properties；size effect

TG441

A

1673-1980（2011）06-0130-04

2011-06-03

重慶科技學(xué)院大學(xué)生“優(yōu)秀創(chuàng)新人才培養(yǎng)資助計(jì)劃”項(xiàng)目（201102）

李望云（1989-），男，湖北人，重慶科技學(xué)院冶金與材料工程學(xué)院材料成型及控制工程2008級(jí)學(xué)生。