電子封裝中Cu/Cu3Sn/Cu焊點(diǎn)的制備工藝及組織演變

梁曉波，李曉延，姚 鵬，余 波，牛蘭強(qiáng)

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電子封裝中Cu/Cu3Sn/Cu焊點(diǎn)的制備工藝及組織演變

梁曉波，李曉延，姚 鵬，余 波，牛蘭強(qiáng)

（北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，新型功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

采用電鍍的方法在Cu基板沉積4 μm厚Sn層作為釬料，在不同參數(shù)下對雙釬料Cu/Sn+Sn/Cu三明治結(jié)構(gòu)進(jìn)行釬焊連接，得到可形成全Cu3Sn焊點(diǎn)的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為：Ar氣保護(hù)下300℃，3 h，1 N。然后研究了全Cu3Sn焊點(diǎn)形成過程中不同金屬間化合物(Cu6Sn5和Cu3Sn)的生長形貌和界面反應(yīng)機(jī)理。結(jié)果表明，釬焊10 min后在Cu-Sn界面形成了扇貝狀的Cu6Sn5，并且在Cu基板與Cu6Sn5之間有一層很薄的Cu3Sn出現(xiàn)，Cu/Cu3Sn和Cu3Sn/ Cu6Sn5界面較為平整。隨著時(shí)間延長，上下兩層Cu6Sn5相互接觸并融為一體，直至液態(tài)Sn完全被消耗，而Cu3Sn通過消耗Cu6Sn5而快速增長，直到界面區(qū)全部形成Cu3Sn。

全Cu3Sn焊點(diǎn)；釬焊；金屬間化合物；扇貝狀；界面反應(yīng)；組織演變

微電子技術(shù)已進(jìn)入集成系統(tǒng)芯片和模塊芯片時(shí)代，互連技術(shù)應(yīng)具有高密度、高質(zhì)量、低成本等特點(diǎn)，因此3D封裝技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。3D封裝技術(shù)能提高封裝密度、增強(qiáng)產(chǎn)品性能、提高速度、降低功耗、降低噪聲、實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備小型化和多功能化，還能使設(shè)計(jì)自由度提高，開發(fā)時(shí)間縮短[1]。為了保證產(chǎn)品具有良好的電學(xué)和熱力學(xué)性能，目前3D封裝主要采用低溫釬焊技術(shù)。而Cu/Sn低溫釬焊因其較好的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)等性能，以及低溫焊接高溫使用的特點(diǎn)，成為3D封裝的首選[2-3]。

通常，3D封裝中利用釬焊方法對Cu/Sn/Cu系統(tǒng)進(jìn)行連接，由于采用較薄的微米級Sn層，在一定的焊接時(shí)間和溫度下，Sn層會完全轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的金屬間化合物Cu3Sn，最終得到Cu/Cu3Sn/Cu焊點(diǎn)[4]。由于Cu3Sn的熔點(diǎn)達(dá)到675℃[5]，所以這種焊點(diǎn)可以在高溫下進(jìn)行服役。另外，這種焊點(diǎn)與傳統(tǒng)Cu/IMCs/solder/IMCs/Cu焊點(diǎn)相比具有更高的強(qiáng)度和更好的抗電遷移性能[6-7]。所以對Cu3Sn焊點(diǎn)制備工藝以及制備過程中微觀組織演變的研究非常有必要。

近年來一些研究者[8-9]對Sn層厚度及釬焊工藝進(jìn)行過探究，研究發(fā)現(xiàn)相同條件下釬焊后，4~8 μm的Sn層最終得到的焊點(diǎn)沒有空洞缺陷出現(xiàn)，但是當(dāng)Sn層過厚時(shí)會出現(xiàn)Sn層溢出。而釬焊溫度，時(shí)間和壓力均對接頭效果有較大的影響。當(dāng)釬焊時(shí)間過長，焊點(diǎn)缺陷會加重，而過高的釬焊溫度同樣會降低焊點(diǎn)的質(zhì)量。過大的釬焊壓力會降低焊點(diǎn)中空洞的產(chǎn)生，但也會使熔融的Sn層溢出連接區(qū)。然而，這些研究僅僅局限于Sn層厚度和釬焊工藝的研究，很少對全Cu3Sn焊點(diǎn)形成過程中不同界面的形成機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究。目前更多的研究集中于Cu/IMCs/solder/ IMCs/Cu焊點(diǎn)的組織形貌及界面反應(yīng)機(jī)理[10-16]，而對全Cu3Sn焊點(diǎn)形成過程中的研究更多地集中于生長動力學(xué)方面[17-18]。

目前對全Cu3Sn焊點(diǎn)的制備工藝、組織形貌及界面反應(yīng)研究較少。因此，本文采用低溫釬焊連接的方法制備全Cu3Sn焊點(diǎn)，以此來系統(tǒng)地研究焊點(diǎn)的制備工藝及制備過程中組織形貌和界面反應(yīng)機(jī)理。此外，為了使接觸區(qū)具有更好的潤濕性，不產(chǎn)生固液接觸時(shí)邊潤濕邊凝固現(xiàn)象，進(jìn)而提高焊點(diǎn)質(zhì)量和可靠性[19]，本研究采用雙釬料層結(jié)構(gòu)。因此本文通過電鍍的方法在光滑平整的Cu基板表面沉積4 μm厚Sn層，通過低溫釬焊方法對雙釬料結(jié)構(gòu)Cu/Sn+Sn/Cu進(jìn)行連接。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 電鍍Sn層

本研究中Cu基板的規(guī)格為5 mm×5 mm×1 mm，將其冷鑲后水磨至3000#砂紙級，再用顆粒度為0.5 μm的金剛石拋光膏進(jìn)行拋光，得到一個(gè)光滑平整的銅表面，然后風(fēng)干待鍍。電鍍前首先將備好的銅片放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)7%的NaOH溶液中去除表面油污，隨后浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的H2SO4溶液中1 min以便去除表面氧化層。電鍍參數(shù)如表1所示。

表1 電鍍試驗(yàn)所用參數(shù)

Tab.1 The parameters of electroplating

電鍍之后將試樣放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的Na3PO4溶液中以中和去除表面殘留的鍍液，最后用去離子水沖洗風(fēng)干備用。圖1（a）為電鍍試樣尺寸及結(jié)構(gòu)示意圖，圖1（b）為鍍層Sn的表面形貌，可以看出Sn層分布較為均勻，沒有明顯缺陷，有利于上下Sn層的充分接觸。

（a）電鍍試樣宏觀尺寸及結(jié)構(gòu)示意圖

（b）電鍍Sn層表面形貌

1.2 焊點(diǎn)的制備及組織觀察

兩個(gè)電鍍有Sn層的Cu基板對接形成一個(gè)雙釬料Cu/Sn+Sn/Cu三明治結(jié)構(gòu)，放入特制夾具中對齊，并施以壓力，隨后將夾具放入真空管式爐，通入氬氣作為保護(hù)氣體。在不同的壓力、溫度、保溫時(shí)間下分別制備焊點(diǎn)。圖2是制備焊點(diǎn)的示意圖。對每一個(gè)參數(shù)下制備的焊點(diǎn)進(jìn)行研磨、拋光，在金相顯微鏡下觀察組織。

圖2 Cu/Cu3Sn/Cu焊點(diǎn)制備示意圖

為了研究焊點(diǎn)制備過程中IMCs的演變規(guī)律，在不同釬焊時(shí)間下制備焊點(diǎn)。然后將每個(gè)焊點(diǎn)的橫截面進(jìn)行研磨拋光，在掃描電鏡下觀察不同釬焊時(shí)間焊點(diǎn)的微觀組織，利用Photoshop軟件提取了不同參數(shù)下IMCs的厚度。由于沿界面金屬間化合物的厚度不平整，為了提高測量厚度的準(zhǔn)確性，采用公式（1）來確定金屬間化合物的平均厚度：

式中：是提取的金屬間化合物的面積；x是沿著界面金屬間化合物的長度。圖3是提取IMC的示意圖。通過計(jì)算比較不同釬焊時(shí)間金屬間化合物的厚度，探究焊點(diǎn)制備過程中微觀組織的演變規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊點(diǎn)制備工藝參數(shù)的優(yōu)化

Cu-Sn反應(yīng)得到全Cu3Sn焊點(diǎn)包括兩個(gè)過程：

6Cu+5Sn==Cu6Sn5

9Cu+Cu6Sn5==5Cu3Sn

圖3 使用Photoshop CS4軟件提取Cu6Sn5厚度示意圖

各相的物理參數(shù)如表2所示?？梢酝ㄟ^質(zhì)量守恒定律計(jì)算反應(yīng)前后體積變化。

表2 不同相的物理屬性

Tab.2 The physical property for different phases

Cu-Sn反應(yīng)生成Cu6Sn5過程的體積差計(jì)算如下：

（2）

Cu6Sn5與Cu反應(yīng)生成Cu3Sn過程體積差計(jì)算如下：

從以上計(jì)算結(jié)果可知，在形成全Cu3Sn焊點(diǎn)過程中反應(yīng)后的體積要小于反應(yīng)之前的體積，理論上若反應(yīng)前后焊件不發(fā)生上下移動，則會由于體積差而產(chǎn)生空洞。為了使這種空洞盡可能減少或者消失，有必要使用一定的壓力作用在銅片上，使液態(tài)Sn流動來彌補(bǔ)體積減小產(chǎn)生的空洞。對于反應(yīng)第二過程，由上式可知反應(yīng)前后體積變化率很小，只有5%，所以會在Cu6Sn5和Cu3Sn界面產(chǎn)生微量空洞。但在電鍍Sn之前，所選用的Cu基體已經(jīng)經(jīng)過拋光處理，其表面非常光滑平整，在合適的釬焊壓力下由于高溫原子的熱運(yùn)動會使界面上下移動逐漸將這些微小空洞愈合。因此，選擇合適的釬焊壓力對于制備高質(zhì)量全Cu3Sn焊點(diǎn)非常重要。

首先選擇較長的3 h并在不同的溫度下來試驗(yàn)是否足以獲得全Cu3Sn焊點(diǎn)，為了保證Cu/Sn界面更好地接觸和反應(yīng)，選擇1 N作為釬焊壓力。然后在240，270和300℃不同的溫度下進(jìn)行釬焊連接，通過對不同溫度下焊點(diǎn)微觀組織觀察分析，優(yōu)化釬焊溫度。圖4是不同釬焊溫度下焊點(diǎn)截面的微觀組織。

通過圖4可知，240℃釬焊3 h后焊點(diǎn)的微觀組織是由Cu3Sn，Cu6Sn5和Sn組成，當(dāng)溫度上升到270℃時(shí)，Sn完全轉(zhuǎn)變成了金屬間化合物Cu6Sn5和Cu3Sn，接頭是由Cu3Sn和Cu6Sn5組成，沒有完全轉(zhuǎn)變成Cu3Sn，如圖4（b）所示。當(dāng)釬焊溫度上升到300℃時(shí)，Cu6Sn5完全轉(zhuǎn)變成了Cu3Sn，得到了所需要的Cu/ Cu3Sn/Cu焊點(diǎn)，這也說明3 h的釬焊時(shí)間足以得到全Cu3Sn焊點(diǎn)，如圖4（c）所示。楊東升[8]研究了IMCs生長動力學(xué)，研究顯示300℃下Cu6Sn5的生長速率是240℃時(shí)的2.76倍，說明溫度越高原子在Cu6Sn5內(nèi)部移動速率越快，晶粒間的通道也可能越寬，使得更多的Cu原子進(jìn)入液態(tài)Sn中反應(yīng)得到Cu6Sn5。通過研究Cu3Sn的生長動力學(xué)表明在300℃下Cu3Sn的生長速率是240℃時(shí)的2.56倍，說明溫度越高Cu原子的擴(kuò)散速率越快，能更加容易穿過Cu3Sn進(jìn)入Cu6Sn5并和Cu6Sn5反應(yīng)生成Cu3Sn。所以從圖4中可以看到在相同的時(shí)間下，溫度對IMCs的形成速率具有較大的影響，同時(shí)也可以看出溫度并沒有影響焊點(diǎn)界面的連接情況。通過對比，選擇300℃作為獲得全Cu3Sn焊點(diǎn)的最優(yōu)溫度。

確定釬焊溫度后，再對釬焊時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化以便得到一個(gè)最短的獲得全Cu3Sn焊點(diǎn)的時(shí)間，并探究釬焊時(shí)間對焊點(diǎn)制備的影響。首先選擇已經(jīng)優(yōu)化得到的300℃作為釬焊溫度，1 N作為釬焊壓力，在不同的釬焊時(shí)間下制備焊點(diǎn)。圖5是不同釬焊時(shí)間下焊點(diǎn)的微觀組織。

（a）240℃，3 h，1 N；（b）270℃，3 h，1 N；（c）300℃，3 h，1 N

（a）300℃，1 h，1 N；（b）300℃，2 h，1 N；（c）300℃，3 h，1 N

從圖5（a）可以看出，當(dāng)釬焊時(shí)間為1 h時(shí)，Sn已經(jīng)全部轉(zhuǎn)化成了金屬間化合物，但是還有大量的Cu6Sn5沒有轉(zhuǎn)化成Cu3Sn。當(dāng)釬焊時(shí)間增加到2 h時(shí)，Cu6Sn5逐漸減少但是并沒有全部轉(zhuǎn)化成Cu3Sn，見圖5（b）。如圖5（c）所示，當(dāng)釬焊時(shí)間增加到3 h，Cu6Sn5全部轉(zhuǎn)化成了Cu3Sn，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)釬焊時(shí)間沒有影響焊點(diǎn)界面連接情況。通過對比選擇3 h作為獲得全Cu3Sn焊點(diǎn)的最優(yōu)釬焊時(shí)間。

優(yōu)化完釬焊時(shí)間后，有必要對釬焊壓力進(jìn)行優(yōu)化并探究釬焊壓力對焊點(diǎn)制備的影響。分別以優(yōu)化完的300℃、3 h作為釬焊溫度和釬焊時(shí)間，在不同的釬焊壓力下制備焊點(diǎn)，觀察焊點(diǎn)微觀組織。圖6顯示了不同壓力下制備焊點(diǎn)的微觀組織。

圖6（a）是在0.5 N的壓力下焊點(diǎn)的微觀組織，可以看出Cu6Sn5并沒有完全轉(zhuǎn)變成Cu3Sn，并且在焊點(diǎn)中間有少量空洞存在，說明較低的釬焊壓力不利于界面的連接，由于釬焊壓力較小，不足以愈合由于式（4）、（5）所示體積變化產(chǎn)生的空洞。如圖6（c）所示，當(dāng)釬焊壓力增加到1.5 N時(shí)，可以看出Cu6Sn5全轉(zhuǎn)變成了Cu3Sn，但是與0.5 N和1 N時(shí)相比焊縫的寬度明顯變小，說明在過高的釬焊壓力下，一部分液態(tài)Sn在釬焊過程中溢出了焊縫釬焊區(qū)。因此選擇1 N作為獲得全Cu3Sn焊點(diǎn)的最優(yōu)釬焊壓力。

（a）300℃，3 h，0.5N；（b）300℃，3 h，1 N；（c）300℃，3 h，1.5N

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到制備全Cu3Sn焊點(diǎn)的最優(yōu)工藝參數(shù)，如表3所示。

表3 制備全Cu3Sn焊點(diǎn)最優(yōu)參數(shù)

Tab.3 Optimum parameters for fabricating Cu/Cu3Sn/Cu solder joints

2.2 組織演變的研究

優(yōu)化完工藝參數(shù)后，將優(yōu)化完的300℃作為釬焊溫度，1 N作為釬焊壓力，在不同時(shí)間下對Cu/Sn結(jié)構(gòu)進(jìn)行釬焊連接，以此來研究組織演變規(guī)律。圖7是不同釬焊時(shí)間焊點(diǎn)橫截面微觀組織的SEM照片。

圖8是釬焊10 min后不同相的能譜分析結(jié)果，結(jié)合圖7（a）和圖8可以看出釬焊10 min后在Cu基板和Sn的界面處有扇貝狀的Cu6Sn5出現(xiàn)，這是由于Cu和液態(tài)Sn通過化學(xué)反應(yīng)生成Cu6Sn5，該過程受吉布斯自由能的改變支配，自由能的改變率越大，越有利于反應(yīng)的進(jìn)行。而最大的自由能改變率往往依靠于生成相的形貌和微觀組織形態(tài)[20]。當(dāng)生成物呈扇貝狀生長時(shí)自由能的改變率最大，有利于反應(yīng)的進(jìn)行，故Cu6Sn5呈扇貝狀。如圖7（a）~（c）。進(jìn)一步觀察可知，扇貝狀的Cu6Sn5隨著釬焊時(shí)間的增加不斷增大，但是扇貝的個(gè)數(shù)在不斷減少，尤其是一些剛開始就比較小的扇貝，說明Cu6Sn5的生長符合Ostwald熟化機(jī)制[21-23]。小的Cu6Sn5扇貝在釬焊過程中不斷分解成Cu原子和Sn原子進(jìn)而為較大扇貝的增大提供Cu、Sn原子。當(dāng)釬焊時(shí)間增加到20 min的時(shí)候，Cu6Sn5扇貝繼續(xù)長大長厚，截面形狀仍然是高低起伏的扇貝狀，可以從圖7（c）看出一些上下兩側(cè)生長較快的Cu6Sn5扇貝已經(jīng)接觸進(jìn)而連成了一體。隨著時(shí)間的延長到30 min，如圖7（d）所示，Cu6Sn5繼續(xù)向前推進(jìn)長厚長大，兩側(cè)扇貝狀Cu6Sn5頂部不斷接觸，將接觸點(diǎn)兩側(cè)的Sn分離，形成了“Sn島”。從圖7（e）~（f）可以看出，隨著釬焊時(shí)間的繼續(xù)增加，Cu6Sn5不斷增加，“Sn島”面積不斷減少。當(dāng)釬焊時(shí)間增加到60 min時(shí)，只有少量的Sn存在于焊點(diǎn)中，并且在焊點(diǎn)中間有微小裂紋產(chǎn)生，分析原因是當(dāng)液態(tài)Sn較少時(shí)，在Cu原子和Sn原子反應(yīng)之后極短的時(shí)間之內(nèi)沒有足夠的Sn原子填充到原始位置，所以產(chǎn)生一些空洞，隨著這些空洞的長大聚集形成微小裂紋，如圖7（f）所示。

從圖7（a）~（f）還可發(fā)現(xiàn)，在Cu6Sn5與Cu基體之間還有一層較薄的Cu3Sn出現(xiàn)，而Cu3Sn的生長基本呈平面狀，且生長速率相對較慢。這是因?yàn)镃u3Sn是由Cu原子和Cu6Sn5反應(yīng)得到，屬于固態(tài)界面反應(yīng)，而Cu6Sn5/液態(tài)Sn的界面擴(kuò)散系數(shù)比Cu/Cu3Sn要大很多，所以Cu/Cu3Sn界面更加均勻平整。根據(jù)文獻(xiàn)[24]，Cu原子在液態(tài)Sn中的溶解激活能非常低，但在固態(tài)共晶SnPb釬料中，扇貝狀Cu6Sn5或者Cu3Sn的生長激活能相對較高[25]，本研究中Cu3Sn屬于固態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物，其Cu原子溶解激活能較高，并且從圖7（a）~（f）可以看出在焊點(diǎn)中存在大量液態(tài)Sn，從Cu基板擴(kuò)散來的Cu原子主要和液態(tài)Sn反應(yīng)生成Cu6Sn5，所以在圖7（a）~（f）中可以看到Cu3Sn的生長速率相對Cu6Sn5較慢。從圖7（a）~（f）中還可以發(fā)現(xiàn)在扇貝狀Cu6Sn5底部的Cu3Sn厚度要比扇貝兩側(cè)Cu6Sn5/Cu界面處的Cu3Sn相厚，這是由于Cu原子向液相Sn中擴(kuò)散溶解要先穿過Cu6Sn5層，當(dāng)Cu6Sn5層較厚時(shí)，也就是在扇貝狀Cu6Sn5晶粒頂部，Cu原子穿過該層速度較慢，會在Cu6Sn5相內(nèi)達(dá)到溶解飽和，在Cu原子濃度大的Cu側(cè)逐漸反應(yīng)生成Cu3Sn。但是當(dāng)Cu6Sn5層較薄時(shí)，扇貝兩側(cè)Cu原子可以較輕易穿過Cu6Sn5層進(jìn)入液相Sn中，使Cu6Sn5內(nèi)Cu原子濃度較低，與Cu6Sn5反應(yīng)速度慢導(dǎo)致生長Cu3Sn層的速度也較低，所以在圖7（a）~（f）中可以看到扇貝底部的Cu3Sn相厚而相鄰扇貝之間的Cu3Sn相對較薄。

（a）焊點(diǎn)截面圖；（b）A相的EDAX圖；（c）B相的EDAX圖；（d）C相的EDAX圖

當(dāng)釬焊時(shí)間增加到90 min時(shí)，“Sn島”完全消失，也就是液態(tài)Sn已經(jīng)完全轉(zhuǎn)變成了金屬間化合物，上下兩側(cè)的Cu6Sn5完全接觸形成一個(gè)整體，Cu/Cu3Sn和Cu3Sn/Cu6Sn5界面都變得更加平整，因?yàn)楫?dāng)液態(tài)Sn全部消耗掉之后，反應(yīng)完全變成了固態(tài)反應(yīng)，所以界面比有液相時(shí)平整很多。與此同時(shí)在60 min時(shí)產(chǎn)生的微小裂紋也隨之消失，這是因?yàn)樵阝F焊壓力的作用下由于高溫原子的熱運(yùn)動使界面向下緩慢移動逐漸將微小裂紋愈合，如圖7（g）所示。隨著鍵合時(shí)間的繼續(xù)增加，如圖7（h）~（j）所示，Cu6Sn5逐漸減少而Cu3Sn不斷增加，當(dāng)釬焊時(shí)間增加到180 min時(shí)，Cu6Sn5全部被消耗，焊點(diǎn)全部由Cu3Sn組成，也就是Cu6Sn5全部轉(zhuǎn)變?yōu)镃u3Sn。

通過Photoshop軟件對不同釬焊時(shí)間焊點(diǎn)厚度及不同金屬間化合物厚度進(jìn)行提取，圖9顯示了焊點(diǎn)厚度及不同金屬間化合物厚度隨釬焊時(shí)間的變化關(guān)系。

從圖9可以看出隨著釬焊時(shí)間的增加，焊點(diǎn)的厚度不斷增加，從10 min時(shí)的10.47 μm增加到了全部轉(zhuǎn)化成了Cu3Sn時(shí)的16.75 μm，這是因?yàn)殡S著反應(yīng)的進(jìn)行，越來越多的Cu原子參與反應(yīng)生成金屬間化合物使得焊點(diǎn)變厚，可以通過質(zhì)量守恒定律對反應(yīng)前后焊點(diǎn)厚度的理論值進(jìn)行計(jì)算。

圖9 焊點(diǎn)以及不同IMCs厚度隨釬焊時(shí)間的變化關(guān)系

式中：x是的數(shù)量；x是原子質(zhì)量數(shù)；是反應(yīng)區(qū)域的面積；x、x、x分別是厚度、密度和原子質(zhì)量。Cu=63.5 g/mol,Sn=118.7 g/mol,Cu=8.96 g/cm3,Sn=7.28 g/cm3。

因此對于Cu6Sn5有：

（7）

對于Cu3Sn有：

（8）

根據(jù)釬料層的厚度為8 μm，可以計(jì)算出當(dāng)Sn層完全轉(zhuǎn)化成Cu6Sn5時(shí)焊點(diǎn)厚度應(yīng)該為12 μm。當(dāng)Sn全部轉(zhuǎn)變成Cu3Sn時(shí)焊點(diǎn)的厚度應(yīng)該為18.4 μm。若焊點(diǎn)中還有液態(tài)Sn存在，此時(shí)從圖7中可以看出Cu3Sn的厚度較小，忽略Cu3Sn的厚度，則焊點(diǎn)厚度應(yīng)該在8~12 μm，并且Sn越少焊點(diǎn)越厚。若焊點(diǎn)是由Cu6Sn5和Cu3Sn構(gòu)成，則焊點(diǎn)的厚度應(yīng)該在12~18.4 μm，并且Cu3Sn增多，焊點(diǎn)的厚度會逐漸增加。從圖9中可以看出，焊點(diǎn)厚度的增加較為符合理論計(jì)算。

時(shí)間從10~60 min，焊點(diǎn)中Cu6Sn5的厚度不斷增加，而從60 min之后Cu6Sn5逐漸減少，直到180 min時(shí)全部消耗轉(zhuǎn)變成Cu3Sn。結(jié)合圖7和圖9可知，在前60 min焊點(diǎn)中有Sn剩余，Cu原子不斷通過擴(kuò)散和液態(tài)Sn反應(yīng)生成Cu6Sn5，而Cu原子和Cu6Sn5通過固態(tài)反應(yīng)生成Cu3Sn的速率很慢，所以Cu6Sn5的量不斷增加。從60 min到90 min，焊點(diǎn)中僅有微量液態(tài)Sn剩余，所以在這一段時(shí)間內(nèi)生成的Cu6Sn5較少，而轉(zhuǎn)變成Cu3Sn所消耗的Cu6Sn5多于新生成的，所以在這段時(shí)間內(nèi)Cu6Sn5的厚度呈下降趨勢。從圖7（g）~（i）可以看出，當(dāng)釬焊時(shí)間大于等于90 min時(shí)，焊點(diǎn)中沒有剩余液態(tài)Sn存在，所以不會再有新的Cu6Sn5生成，而已經(jīng)存在的Cu6Sn5要和從Cu基板擴(kuò)散過來的Cu原子不斷反應(yīng)生成Cu3Sn，所以從圖9中可以看出在90 min之后焊點(diǎn)中Cu6Sn5的厚度不斷減少，直到180 min時(shí)全部消耗完轉(zhuǎn)變成Cu3Sn。

從圖9中觀察Cu3Sn的厚度變化可知，從10 min開始，焊點(diǎn)中就有少量Cu3Sn產(chǎn)生，但是在10~60 min時(shí)間段內(nèi)Cu3Sn的生成速率非常低。結(jié)合圖7（a）~（f）可知，在10~60 min焊點(diǎn)中存在大量液態(tài)Sn，從Cu基板擴(kuò)散來的Cu原子大多與Sn反應(yīng)生成Cu6Sn5，所以只有少量的Cu原子和已經(jīng)生成的Cu6Sn5發(fā)生固態(tài)反應(yīng)生成Cu3Sn，因此在10~60 min時(shí)間段內(nèi)Cu3Sn的生成速率相對較低。當(dāng)釬焊時(shí)間增加到60 min之后，焊點(diǎn)中液態(tài)Sn基本反應(yīng)完畢，沒有足量的Sn和Cu原子反應(yīng)生成Cu6Sn5，所以Cu原子只能和Cu6Sn5反應(yīng)生成Cu3Sn。從圖9可以看出，60 min之后焊點(diǎn)中Cu3Sn厚度快速增加，直到180 min時(shí)，所有的Cu6Sn5全部轉(zhuǎn)變成Cu3Sn，焊點(diǎn)和Cu3Sn的厚度達(dá)到穩(wěn)定值。

3 結(jié)論

（1）通過電鍍的方法在Cu基板沉積4 μm厚Sn層，每兩個(gè)帶有電鍍Sn的Cu板組成一個(gè)雙釬料Cu/Sn+Sn/Cu三明治結(jié)構(gòu)。將這種結(jié)構(gòu)在不同的釬焊溫度，時(shí)間和壓力下制備焊點(diǎn)，得到制備全Cu3Sn焊點(diǎn)的最優(yōu)工藝參數(shù)為：釬焊溫度300℃，時(shí)間3 h，壓力為1 N。

（2）對微觀組織演變分析可知，Cu6Sn5呈扇貝狀生長，而Cu3Sn的生長呈平面狀，是因?yàn)镃u3Sn是由Cu原子和Cu6Sn5反應(yīng)得到，屬于一種固態(tài)界面反應(yīng)。而Cu6Sn5/液態(tài)Sn的界面擴(kuò)散系數(shù)比Cu/Cu3Sn要大很多，所以Cu/Cu3Sn界面更加均勻平整。大的Cu6Sn5扇貝下面的Cu3Sn相對較厚，是因?yàn)楫?dāng)Cu6Sn5較厚時(shí)，Cu原子在Cu6Sn5內(nèi)部擴(kuò)散時(shí)速率較慢，Cu原子容易達(dá)到溶解飽和，所以Cu原子更容易和Cu6Sn5反應(yīng)生成Cu3Sn。

（3）全Cu3Sn焊點(diǎn)制備過程中，焊點(diǎn)的厚度隨釬焊時(shí)間的延長不斷增加，在液態(tài)Sn完全消耗之前Cu6Sn5和Cu3Sn的厚度均隨時(shí)間的增加不斷增加，但主要生成的是Cu6Sn5。在液態(tài)Sn完全消耗之后，焊點(diǎn)中只發(fā)生一個(gè)反應(yīng)：Cu6Sn5和Cu反應(yīng)生成Cu3Sn，所以這個(gè)過程中，Cu6Sn5逐漸較少而Cu3Sn不斷增加，直到Cu6Sn5全部被消耗為止。

[1] 陸軍. 3D封裝 [J]. 集成電路通訊, 2005, 24(4): 41-47.

[2] MUNDING A, HüBNER H, KAISER A, et al. Wafer level 3-D ICs process technology [M]. USA: Springer, 2008: 1-39.

[3] FREDERIKSE H P R, FIELDS R J, FELDMAN A. Thermal and electrical properties of copper-tin and nickel-tin intermetallics [J]. J Appl Phys, 1992, 72(7): 2879-2882.

[4] HUEBNER H, PENKA S, BARCHMANN B, et al. Formation mechanism and orientation of Cu3Sn grains in Cu-Sn intermetallic compound joints[J]. Microelectron Eng, 2006, 83(11): 2155-2162.

[5] LUU T. Optimized Cu-Sn wafer-level bonding using intermetallic phase characterization [J]. J Electron Mater, 2013, 42(12): 3582-3592.

[6] AGARWAL R, ZHANG W, LIMAYE P, et al.Cu/Sn microbumps interconnect for 3D TSV chip stacking [C]//2010 Proceedings 60th Electronic Components and Technology Conference. NY, USA: IEEE, 2010: 858-863.

[7] HUANG Z H.Experimental investigation of electromigration failure in Cu-Sn-Cu micropads in 3D integrated circuits [J]. Microelectron Eng, 2014, 122(25): 46-50.

[8] 楊東升. 三維封裝芯片固液互擴(kuò)散低溫鍵合機(jī)理研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2012.

[9] CAO Y H, NING W G, LUO L. Wafer-level package with simultaneous TSV connection and cavity hermetic sealing by solder bonding for MEMS device [J].IEEE Trans Electron Packg Manuf, 2009, 32(3): 125-129.

[10] KIM H K, LIOU H K, TU K N. Three-dimensional morphology of a very rough interface formed in the soldering reaction between eutectic SnPb and Cu [J].Appl Phys Lett, 1995, 66(18): 2337-2339.

[11] LIU A A. Spalling of Cu6Sn5spheroids in the soldering reaction of eutectic SnPb on Cr/Cu/Au thin films[J]. J Appl Phys, 1996, 80(5): 2774-2780.

[12] MA D, WANG W D, LAHIRI S K. Scallop formation and dissolution of Cu-Sn intermetallic compound during solder reflow [J]. J Appl Phys, 2002, 91(5): 3312-3317.

[13] YANG L M, ZHANG Z F. Effects of Y2O3nanoparticles on growth behaviors of Cu6Sn5grains in soldering reaction [J]. J Electron Mater, 2013, 42(12): 3552.

[14] MRUNALI S, PRABHU K N. Review on microstructure evolution in Sn-Ag-Cu solders and its effect on mechanical integrity of solder joints [J]. J Mater Sci Mater Electron, 2013, 24(9): 3149-3169.

[15] CHEN G. Microstructures and properties of new Sn-Ag-Cu lead-free solder reinforced with Ni-coated graphene nanosheets [J]. J Alloy Compd, 2016, 656: 500-509.

[16] SUH J O, TU K N, TAMURA N. Preferred orientation relationship between Cu6Sn5scallop-type grains and Cu substrate in reactions between molten Sn-based solders and Cu [J]. J Appl Phys, 2007, 102(6): 63511-63511.

[17] TANG W M, HE A Q, LIU Q, et al.Solid state interfacial reactions in electrodeposited Cu/Sn couples [J]. Trans Nonferrous Metal Soc Chin, 2010, 20(1): 90-96.

[18] LIM G T. Temperature effect on intermetallic compound growth kinetics of Cu pillar/Sn bumps [J]. J Electron Mater, 2009, 38(11): 2228-2233.

[19] LIU H. Wafer-level Cu/Sn to Cu/Sn SLID-bonded interconnects with increased strength[J]. IEEE Trans Compon Packg Manuf Technol, 2011, 9(1): 1350-1358.

[20] TU K N, ZENG K.Tin-lead (SnPb) solder reaction in flip chip technology [J]. Mater Sci Eng R Rep, 2001, 34(1): 1-58.

[21] MAYER J W, FELDMAN L C.Electronic thin film science: for electrical engineers and material scientists [M]. Upper Saddle River, USA: Prentice Hall, 1992: 100.

[22] SUH J O, TU K N, LUTSENKO G V, et al. Size distribution and morphology of Cu6Sn5scallops in wetting reaction between molten solder and copper[J]. Acta Mater, 2008, 56(5): 1075-1083.

[23] ARDELL A J.Phase transformations’ 87 [M]. Brookfield, VT: J Jpn Inst Metals, 1988.

[24] MA C H, SWALIN R A. A study of solute diffusion in liquid tin[J]. Acta Metall, 1960, 8(6): 388-395.

[25] TU K N, LEE T Y, JANG J W, et al. Wetting reaction versus solid state aging of eutectic SnPb on Cu [J].J Appl Phys, 2001, 89(9): 4843-4849.

（編輯：陳渝生）

Fabricating process and microstructure evolution of Cu/Cu3Sn/Cu solder joints in electronic packaging

LIANG Xiaobo, LI Xiaoyan, YAO Peng, YU Bo, NIU Lanqiang

(The Key Laboratory of Advanced Functional Materials of Ministry of Education, School of Materials Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Electroplating was used to deposit a 4 μm thick Sn layer on the Cu substrate. Cu/Sn+Sn/Cu sandwich structure was soldered under different parameters in order to fabricate Cu/Cu3Sn/Cu solder joints. It is found that the joints soldered at 300℃ with 1 N pressure and 3 h argon protection are completely composed of Cu/Cu3Sn/Cu. Then the growth morphologies of IMCs and the mechanism of different interfaces formation were analyzed. The results show that there is scallop-like Cu6Sn5formed at the Cu-Sn interface after being soldered for 10 mins and a thin Cu3Sn layer is formed between Cu and Cu6Sn5. The interfaces of Cu/Cu3Sn and Cu3Sn/Cu6Sn5are flat. Cu6Sn5at the two original boundary planes connect with each other with the increases of soldering time. When the liquid Sn is totally consumed, there is no new Cu6Sn5formed. Meantime, Cu3Sn increase quickly at the expense of consumed Cu6Sn5until Cu6Sn5are totally transformed into Cu3Sn.

full Cu3Sn solder joint; soldering; intermetallic compounds (IMCs); scallop-like; interfacial reaction; microstructure evolution

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.02.015

TN406

A

1001-2028（2017）02-0069-08

2016-11-20

梁曉波

國家自然科學(xué)基金資助（No.51575011）；國家自然科學(xué)基金資助（No. 51275007）；北京市自然科學(xué)基金資助（No.2162002）

李曉延（1963－）男，陜西禮泉人，教授，主要從事微電子組裝材料、高性能焊接材料等方面的研究，E-mail: xyli@bjut.edu.cn；梁曉波（1990－），男，甘肅張掖人，研究生，主要從事微電子封裝及可靠性評價(jià)研究，E-mail: liangxiaobo168@163.com。

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-02-14 15:13:52

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170214.1513.015.html