Sn單晶粒微凸點(diǎn)的剪切力學(xué)性能研究*

王 波，陳世杰，祝進(jìn)專，夏衛(wèi)生，張加波，何 曼（. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 30088；. 華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074）

Sn單晶粒微凸點(diǎn)的剪切力學(xué)性能研究*

王 波1，陳世杰2，祝進(jìn)專1，夏衛(wèi)生2，張加波1，何 曼2
（1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230088；2. 華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074）

摘 要：微電子先進(jìn)封裝要求微凸點(diǎn)的尺寸不斷縮小以滿足高密度互連的需求。而微凸點(diǎn)小型化使其微觀組織和力學(xué)行為都會(huì)發(fā)生重要變化，進(jìn)而影響到封裝可靠性。通過(guò)剪切實(shí)驗(yàn)，研究了基體中僅包含一個(gè)Sn晶粒微凸點(diǎn)的剪切力學(xué)行為及其斷裂模式。研究發(fā)現(xiàn)在應(yīng)力和應(yīng)變速率關(guān)系式中，Sn單晶粒微凸點(diǎn)的應(yīng)變速率敏感度指數(shù)m約為0.1，常數(shù)值K約為29。Sn單晶粒微凸點(diǎn)的剪切斷口表面光滑平整，滑移帶分布清晰，屬于單晶滑移斷裂。研究結(jié)果有助于評(píng)估Sn單晶粒微凸點(diǎn)的封裝可靠性。關(guān)鍵詞：高密度互連；Sn單晶粒微凸點(diǎn)；應(yīng)變速率敏感度指數(shù)；滑移斷裂

1　 引言

在微電子封裝領(lǐng)域，互連密度的快速升高要求微凸點(diǎn)的尺寸不斷減小，而微凸點(diǎn)的小型化使焊點(diǎn)的微觀組織結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生重要的轉(zhuǎn)變[1～2]。當(dāng)微凸點(diǎn)的尺寸減小至Sn晶粒尺度時(shí)，微凸點(diǎn)將從多晶粒體系向單晶粒體系轉(zhuǎn)變[3]。此時(shí)，微凸點(diǎn)的基體將只包含一個(gè)Sn晶粒，稱之為Sn單晶粒微凸點(diǎn)。而以往通過(guò)多晶粒體系所建立的焊點(diǎn)力學(xué)性能及可靠性分析模型有可能會(huì)隨之失效。因此，對(duì)面向高密度互連的Sn單晶粒微凸點(diǎn)的微觀組織和力學(xué)性能需要進(jìn)行更深入的分析。

2　 實(shí)驗(yàn)方法

在硅片上通過(guò)光刻、電鍍和保護(hù)性氣氛回流等方法，制得了直徑40 μm、高度20 μm、間距200 μm的Sn微凸點(diǎn)陣列，其形貌如圖1所示。Sn微凸點(diǎn)的凸點(diǎn)下金屬化焊盤（UBM）為Ti/Ni/Cu三層結(jié)構(gòu)。將Sn微凸點(diǎn)陣列試樣通過(guò)鑲樣、拋光及腐蝕等方法獲得Sn微凸點(diǎn)的橫截面，通過(guò)電子掃描顯微鏡（SEM）、聚焦粒子束切割（FIB）和背散射衍射顯微鏡（EBSD）等分析手段觀察了微凸點(diǎn)的形貌及晶體結(jié)構(gòu)。最后，通過(guò)推球剪切實(shí)驗(yàn)分析了微凸點(diǎn)在不同剪切速率下的剪切力學(xué)行為和斷裂模式。實(shí)驗(yàn)所采用的推球設(shè)備為Dage 4000+推拉力剪切力測(cè)試儀。

圖1 微凸點(diǎn)陣列及單個(gè)微凸點(diǎn)的形貌SEM圖

3　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 Sn微凸點(diǎn)的微觀組織結(jié)構(gòu)

采用FIB在微凸點(diǎn)頂部切割出一個(gè)平面結(jié)構(gòu)，如圖2（a）所示。然后通過(guò)EBSD在該平面上進(jìn)行晶界分析。晶體中，如果原子失配角超過(guò)2°，即可被認(rèn)定為晶界，EBSD分析軟件會(huì)用紅線標(biāo)出晶界。圖2 （b）表明，在該晶體中原子排列有序，表明Sn基體是一個(gè)完整的Sn晶粒。因此，所研究的Sn微凸點(diǎn)基體只包含一個(gè)Sn晶粒，屬于Sn單晶粒微凸點(diǎn)。

BGA焊球的直徑通常是幾百微米，甚至達(dá)到毫米級(jí)尺寸，遠(yuǎn)大于Sn的單個(gè)晶粒尺寸，因而B(niǎo)GA焊點(diǎn)是由眾多的Sn基合金晶粒所構(gòu)成。由于多晶粒間具有變形協(xié)同效應(yīng)，BGA焊點(diǎn)在力學(xué)行為上所表現(xiàn)出來(lái)的是多晶粒體系變形行為[4～5]。但在本研究中，因?yàn)镾n微凸點(diǎn)基體僅包含一個(gè)Sn晶粒，所以不會(huì)出現(xiàn)多晶粒間的協(xié)同效應(yīng)，其力學(xué)行為將會(huì)與我們通常所認(rèn)知的BGA焊點(diǎn)的行為有所不同。

圖2 Sn微凸點(diǎn)的FIB切割樣品及EBSD晶界分析

3.2Sn單晶粒微凸點(diǎn)的剪切力學(xué)行為和斷裂模式

圖3顯示的是Sn微凸點(diǎn)的推球?qū)嶒?yàn)示意圖。推球高度設(shè)定為5 μm，推刀分別以10 μm·s-1、200 μm·s-1、400 μm·s-1和 600 μm·s-1的速率進(jìn)行推球，通過(guò)推力值和斷面面積，獲得不同速率下的Sn單晶粒微凸點(diǎn)的剪切應(yīng)力值。平均每一個(gè)剪切速率下，剪切30個(gè)微凸點(diǎn)。通過(guò)電子掃描顯微鏡觀察Sn單晶粒微凸點(diǎn)在剪切斷裂下的斷口形貌，分析其斷裂模式。3.2.1 Sn單晶粒微凸點(diǎn)不同速率下的剪切應(yīng)力

圖3 推球?qū)嶒?yàn)示意圖

Sn單晶粒微凸點(diǎn)在不同剪切速率下的剪切強(qiáng)度關(guān)系如圖4所示。在10 μm·s-1、200 μm·s-1、400 μm·s-1和600 μm·s-1的剪切速率下，Sn單晶粒微凸點(diǎn)的平均剪切強(qiáng)度分別為26 MPa、35 MPa、37.6 MPa和38.4 MPa。剪切的微凸點(diǎn)斷口形貌如圖5所示，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，斷面的平均直徑約為30 μm。

圖4 剪切強(qiáng)度-剪切速率關(guān)系圖

金屬材料發(fā)生塑性變形時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變速率關(guān)系式可以用式（1）表示：

將式（1）取對(duì)數(shù)，獲得式（2）：

計(jì)算獲得：m≈0.1，K≈29。

由此可知， Sn單晶粒微凸點(diǎn)的應(yīng)變速率敏感度指數(shù)m約為0.1，該數(shù)據(jù)可以應(yīng)用于Sn單晶粒微凸點(diǎn)的本構(gòu)關(guān)系建模。

3.2.2 Sn單晶粒微凸點(diǎn)的剪切斷裂模式分析

Sn單晶粒微凸點(diǎn)分別在10 μm·s-1和600 μm·s-1推球速率下的斷口形貌如圖5（a）、（b）所示。通過(guò)圖5可以看出，Sn單晶粒微凸點(diǎn)的剪切斷裂都發(fā)生在Sn單晶粒內(nèi)部，且斷面平整光滑。對(duì)斷面局部進(jìn)行放大，觀察到在Sn單晶粒微凸點(diǎn)的斷面上具有與剪切方向一致的滑移帶，如圖5（c）所示。這表明在當(dāng)前的剪切速率下，Sn單晶粒微凸點(diǎn)都顯示出單晶剪切滑移斷裂的特征。這與SnAgCu BGA焊點(diǎn)所表現(xiàn)出來(lái)的微孔聚集型剪切斷裂明顯不同，如圖5（d）所示。因此， Sn單晶粒微凸點(diǎn)的剪切斷裂是沿著Sn單晶粒的滑移面迅速擴(kuò)展而形成的脆性滑移斷裂。

4　 結(jié)論

通過(guò)對(duì)直徑40 μm Sn微凸點(diǎn)進(jìn)行微觀組織和剪切力學(xué)性能研究，發(fā)現(xiàn)：

（1）當(dāng)微凸點(diǎn)尺寸減小至Sn晶粒尺度時(shí)，Sn微凸點(diǎn)中僅包含一個(gè)Sn晶粒，成為Sn單晶粒微凸點(diǎn)。

（2）剪切實(shí)驗(yàn)揭示了在Sn單晶粒微凸點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變速率關(guān)系式（）中，應(yīng)變速率敏感度指數(shù)約為0.1，常數(shù)K為29。

（3）Sn單晶粒微凸點(diǎn)的剪切斷口表面平整光滑，且具有分布清晰的滑移帶，其剪切斷裂模式屬于單晶滑移斷裂，這與BGA等大尺寸焊點(diǎn)的微孔聚集型剪切斷裂模式明顯不同。

圖5 斷口表面形貌

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中圖分類號(hào)：TN305.96

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1681-1070（2015）06-0032-03

收稿日期：2015-4-8

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（61306133）

作者簡(jiǎn)介：

王 波（1982—），男，山東龍口人， 2010年于華中科技大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)工作于中國(guó)電科第38研究所，主要研究方向?yàn)槲㈦娮臃庋b。

Research on the Mechanical Shear Property of Microbumps with one Sn Grain

WANG Bo1, CHEN Shijie2, ZHU Jinzhuan1, XIA Weisheng2, ZHANG Jiabo1, HE Man2
（1. China Electronics Technology Group Corporation No.38 Research Institute, Hefei 230088, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China）

Abstract:With the rapid development of the advanced microelectronic packaging technology, the volume size of microbumps is required continuing to be reduced to meet the high density solder interconnects. The miniaturization of microbumps would lead to a significant change in the microstructure and the mechanical behavior, which would finally influence the reliability of microelectronic packaging. In present research, the mechanical shear property and the fracture mode of the microbumps with only one Sn grain in the bulk have been studied by shearing test. It is found that the strain rate sensitivity exponent m and the constant K is about 0.1 and 29, respectively in the relationship of stress and strain rate. The microbumps with one Sn grain have a smooth fracture surface with clear slip bands, indicating that the fracture mode is the slidingfracture of monocrystal. The results are helpful to assess the packaging reliability of the microbumps with one Sn grain.

Key words:high density interconnects; microbump with one Sn grain; the strain rate sensitivity exponent; the sliding fracture