溫度梯度對Cu/Sn/Cu微焊點界面反應(yīng)和剪切強度的影響

張春紅,江 馨,岳精雷,王 渝,蔣志高,楊棟華,2,,甘貴生,2,,劉 歆

(1.重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400054；2.特種焊接材料與技術(shù)重慶市高校工程研究中心(重慶理工大學(xué)), 重慶 400054；3.重慶機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 兵器工藝研究所， 重慶 402760)

如今電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢逐漸趨于微型化和多功能化，對微互連焊點的要求也越來越嚴(yán)格。由于微互連焊點的特征尺寸越來越小，由此帶來一系列的問題，特別是微互連焊點的可靠性問題[1-3]。影響焊點可靠性的主要因素是其界面的微觀組織，特別是界面在焊點金屬相互反應(yīng)和相互擴散后所形成的IMC(金屬間化合物)[4]。IMC層的生長和變化又與服役過程中各種復(fù)雜條件下原子的遷移密切相關(guān)，主要為熱遷移和電遷移[5-6]。此前研究中，學(xué)者們一直認為電遷移引起的原子遷移率要大于熱遷移，所以在研究電遷移時一直忽視熱遷移的影響。最近的研究表明：在微焊點中，足夠大的溫度梯度引起焊點的原子遷移效應(yīng)要大于電遷移引起的原子遷移效應(yīng)[7]。

溫度梯度達到一定值后的原子遷移將影響焊點界面IMC層的生長，而焊點的可靠性與金屬間化合物層的生長有很大關(guān)系，同時焊點逐漸微小化而造成全IMC焊點在未來封裝中具有潛在的應(yīng)用前景。因此，研究金屬間化合物層在大溫度梯度下的生長動力學(xué)可有效地改善焊點的穩(wěn)定性，同時也為全IMC焊點的可制造性提供理論基礎(chǔ)。本文在前期研究[8-10]的基礎(chǔ)上，重點研究較大溫度梯度對Cu/Sn/Cu微焊點熱遷移的影響，特別是針對固-固擴散中較大溫度梯度下原子擴散行為。通過不同時間下較大溫度梯度的實驗研究，系統(tǒng)分析了IMC層的組成、微觀形貌演變、界面生長厚度及焊點剪切強度，獲得Cu原子遷移熱等重要數(shù)據(jù)，對先進封裝中微小無鉛焊點的全IMC化進行理論和工藝探索。

1 實驗

1.1 焊點制備

實驗材料是規(guī)格為15 mm×10 mm×4 mm、純度為99.9%的紫銅塊和純錫釬料。

本文采用熱浸焊法制備原始三明治結(jié)構(gòu)焊點，焊點高度通過不銹鋼絲固定為100 μm和300 μm。熱浸焊前，將涂覆過阻焊油的銅塊的焊接面打磨、拋光，通過在銅塊邊緣固定鋼絲以確保焊點高度。清洗銅塊后，將助焊膏均勻地涂覆在未用鋼絲固定的銅塊待焊面。焊接時，固定銅塊相對位置的夾具整體在錫爐(310 ℃)上方預(yù)熱5 s后浸沒在熔有適量純錫的小鋼杯中25 s，取出后空冷。

1.2 大溫度梯度下的熱遷移試驗

先將焊好的試樣切割并打磨成如圖1所示尺寸的焊點。為了研究較大溫度梯度對Cu/Sn/Cu微焊點的影響，針對100 μm和300 μm兩個高度的焊點，選取200 ℃作為熱端溫度，并通過前期實驗和文獻調(diào)研分別選取20 ℃和0 ℃作為冷端溫度。試樣依次在10、40、130和310 min的時間時用自制溫度梯度儀進行熱遷移實驗。熱遷移時，下端接觸熱臺，上端進行強制冷卻。通過ANSYS軟件模擬焊點處溫度梯度，計算Cu原子在固態(tài)Sn中的遷移熱和驅(qū)動力并進行分析。

圖1 三明治結(jié)構(gòu)微小焊點尺寸及熱遷移試驗示意圖

1.3 顯微形貌觀察及剪切強度測試

所有試樣分別采用400#、600#、800#和1200#砂紙進行打磨，經(jīng)過Al2O3懸浮液拋光后，在HCl+HNO3溶液中腐蝕2～3 s。采用Carl Zeiss Sigma HD掃描電子顯微鏡和能譜儀EDS觀察和分析焊點的界面微觀組織、IMC生長形貌、剪切斷口的形貌與成分，使用PTR-1102結(jié)合強度儀測出各焊點的剪切強度，并分析熱遷移對Cu/Sn/Cu微焊點剪切強度的影響，其中剪切測試高度為20 μm，剪切速率為10 mm/min，測試至少5個合格焊點并取平均值。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 Cu/Sn/Cu微焊點的溫度梯度

模擬試樣中焊點處的溫度梯度。Cu和Sn的密度分別為8.96、7.365 g/cm3，熱導(dǎo)率分別為401、66.8 W·m-1·K-1，比熱容分別為24.44、27.112 J·mol-1·K-1。三明治結(jié)構(gòu)焊點采用ANSYS軟件模擬，結(jié)果如圖2所示。所得數(shù)據(jù)如表1所示，表1中：THot為焊點熱端溫度；TCold為焊點冷端溫度； ΔT為冷、熱端溫度差，溫度單位均為℃；?T/?x為錫料層溫度梯度，單位為℃/cm。由表1可知：隨溫度區(qū)間的擴大，焊點處溫度梯度?T/?x也相應(yīng)增大，且溫度梯度隨焊點高度的增大而增大。

表1 焊點溫度梯度數(shù)據(jù)分析

2.2 不同溫度梯度下的IMC形貌及生長演變

焊接后微焊點的截面形貌如圖3(a)(b)所示，其中焊點高度為100 μm的焊點，其母材與Sn界面處清晰可見生長的金屬間化合物IMC層，由能譜(Cu和Sn的原子百分比為58.94∶40.79)可知其為Cu6Sn5。從高倍(1 000×)形貌中可以清晰地看到大量短棒狀或細條狀的Cu6Sn5集中分布焊點的熱端一側(cè)的焊料中。焊點高度增大至300 μm后(見圖3(c)(d))，焊點中Cu6Sn5的形態(tài)發(fā)生較大的變化，出現(xiàn)長條狀和中空六邊形等形態(tài)，并且多數(shù)聚集在焊點的冷端側(cè)的焊料中，但在焊點兩端界面處呈對稱性分布。

圖4、5分別為不同焊點高度的Cu/Sn/Cu焊點在不同溫度梯度下經(jīng)不同時間熱遷移后冷、熱端界面的IMC形貌演變情況。由圖4、5可知：焊點兩端界面IMC均呈明顯的非對稱性生長，兩組的觀察均發(fā)現(xiàn)兩端界面上形成了Cu6Sn5，但冷端IMC層的厚度稍大于熱端的厚度，說明冷端界面的Cu6Sn5的生長速率大于熱端，原子在各溫度梯度下從熱端不斷向冷端遷移，遷移量較少。此外，在兩端界面的Cu6Sn5和Cu基體間均觀察到較薄Cu3Sn IMC的生長，其中冷端為層狀分布，而熱端呈不連續(xù)分布。這些少量的Cu3Sn即為Cu原子與Cu6Sn5在溫度梯度下擴散后形成的產(chǎn)物。

觀察相同溫度梯度下熱遷移不同時間的IMC形貌發(fā)現(xiàn)：隨時間的延長，焊點冷、熱端界面IMC的非對稱性生長變得更加明顯，且隨時間的延長，IMC厚度也相應(yīng)增加。說明原子遷移隨著時間的延長而逐漸增多，與較低的溫度梯度相比熱遷移現(xiàn)象更加明顯。計算界面IMC層厚度，結(jié)果如圖6所示，分別為焊點冷、熱端界面IMC層厚度變化情況。該結(jié)果證明了SEM觀察的結(jié)果，即熱遷移前期界面IMC層厚度增長速率較快，當(dāng)熱遷移時間達到130 min后，界面IMC層厚度增長速率明顯降低，焊點熱端和冷端變化規(guī)律相似。

圖2 不同焊點高度在各溫度區(qū)間下焊點處的溫度分布

圖3 原始Cu/Sn/Cu微焊點的截面形貌圖

圖4 焊點高度100 μm Cu/Sn/Cu焊點在不同溫度梯度下熱遷移后界面IMC的形貌

圖5 焊點高度300 μm Cu/Sn/Cu焊點在不同溫度梯度下熱遷移后界面IMC的形貌

圖6 不同焊點高度的Cu/Sn/Cu焊點熱遷移后兩端界面IMC層的厚度

對于焊點高度分別為100 μm和300 μm的Cu/Sn/Cu焊點，在200～20 ℃，200～0 ℃兩個不同的溫度梯度下均出現(xiàn)Cu原子的熱遷移現(xiàn)象，并且隨時間的延長熱遷移效果也越明顯。由于實驗中并未引入電或應(yīng)力等外場，溫度梯度是Cu/Sn/Cu焊點界面Cu6Sn5呈非對稱性生長的根本原因。大溫度梯度下，在熱遷移初始階段，基體Cu原子會快速通過初始的Cu6Sn5IMC薄層擴散到Cu6Sn5/Sn界面，促使界面Cu6Sn5的生長。隨著熱遷移時間的延長，由于溫度梯度不斷驅(qū)動Cu原子由熱端向冷端遷移，冷端Cu6Sn5/Sn界面附近的Cu濃度明顯高于熱端，導(dǎo)致冷端界面形成大量的Cu-Sn團簇，促進了冷端Cu6Sn5的生長；而在焊點的熱端，由于溶解到Cu6Sn5/Sn界面的Cu原子大量遷出，反而抑制了Cu6Sn5的生長。同時，冷端較厚的IMC層和較高濃度的Cu原子會抑制Cu基體的溶解，而熱端Cu基體的溶解反而被促進。冷端Cu/ Cu6Sn5IMC界面比較平整，而熱端Cu/IMC界面則呈現(xiàn)出較大起伏。由此可見，冷端Cu6Sn5生長主要由熱端Cu基體溶解并遷移而來的Cu原子所提供。熱遷移不僅會顯著影響Cu/Sn/Cu焊點界面Cu6Sn5的生長行為，還會造成焊點兩端Cu基體的不對稱溶解。此外，由于冷端Cu基體溶解被抑制，而從熱端Cu基體溶解的Cu原子被快速遷移，限制了Cu6Sn5在Cu6Sn5/Cu界面上的形成和生長。

當(dāng)熱遷移的時間到達310 min時，界面IMC的厚度已基本達到穩(wěn)定，如由圖7所示。由圖7可知：在相同溫度梯度下，不同焊點高度的Cu/Sn/Cu焊點IMC形貌出現(xiàn)明顯的差異。其中，焊點高度為100 μm的Cu/Sn/Cu焊點界面IMC形態(tài)在各溫度梯度下均呈橢圓或扇貝狀；焊點高度為300 μm的Cu/Sn/Cu焊點界面IMC形態(tài)在各溫度區(qū)間呈扁平長條形或六棱柱行生長。從圖6的數(shù)據(jù)可知：在相同溫度梯度下熱遷移310 min后，焊點高度為100μm的Cu/Sn/Cu焊點，其冷、熱端界面IMC厚度均明顯大于焊點高度為300 μm的焊點。對比圖6(a)與(c)(或(b)與(d))發(fā)現(xiàn)：在相同條件下，焊點高度越小，即焊點微小化過程中界面IMC層的增長厚度越大，符合多數(shù)研究中所研究的體積效應(yīng)。

2.3 Cu原子在固態(tài)Sn中的遷移熱Q*

由以上分析可知，Cu/Sn/Cu焊點在溫度梯度下，主要發(fā)生了Cu原子從熱端向冷端遷移，而冷端Cu原子溶解較少，故冷端IMC形成主要由于熱端遷移的Cu原子與釬料發(fā)生了反應(yīng)。通過比較并參考Cu-Sn液-固熱遷移和Ni/SnAg/Ni的理論研究[7,11]，可通過Cu原子的擴散通量計算Cu原子在固態(tài)Sn中的遷移熱。

圖7 不同焊點高度Cu/Sn/Cu焊點在310 min熱遷移后IMC的形貌演變

由于實驗中并沒有引入電或應(yīng)力等外場，所以IMC的生長驅(qū)動力是溫度梯度。由文獻[7,11]研究得，原子擴散的驅(qū)動力和通量大小由化學(xué)勢決定。

(1)

(2)

其中由溫度梯度提供的熱遷移驅(qū)動力為

(3)

之前分析了冷端界面Cu6Sn5的生長主要依靠熱端遷移而來的Cu原子，并且在遷移時間130 min時，冷端界面IMC已較厚，因此可認為130 min以后冷端界面IMC增厚Δd所需的原子全部來自于熱端，則

(4)

式(4)中：JTM為熱遷移時Cu原子擴散通量；x為焊點高度；Δd為冷端增厚；ρ為Cu6Sn5密度(8.28 g/cm3)；NA為阿伏伽德羅常數(shù)(6.022×1023/mol)；Mmol為Cu6Sn5摩爾質(zhì)量(974.83 g/mol)；t為熱遷移時間。通過查閱文獻[12-13]所示的相關(guān)數(shù)據(jù)可得：DCu表示某溫度下Cu原子在固態(tài)Sn中的擴散系數(shù)，單位為10-14cm2/s；SCu為某溫度下Cu原子在固態(tài)Sn中的溶解度，因為在較低溫度下該值比較小，故溫度相差不大的焊點取同一SCu值，以便計算遷移熱。

由表2中的數(shù)據(jù)，通過式(4)計算出JTM，然后帶入式(2)計算出遷移熱Q*，最后算出驅(qū)動力F。具體計算結(jié)果如表3所示。

表2 計算遷移熱的相關(guān)數(shù)據(jù)

表3 遷移熱Q*計算結(jié)果

由表3可知：當(dāng)錫料層溫度越低時，Cu原子擴散遷移熱越大，所需驅(qū)動力越大，若外界不提供驅(qū)動力時，原子將很難擴散；錫料層溫度梯度越大，可為原子擴散提供足夠大驅(qū)動力，保證Cu原子能進行擴散，即在較大溫度梯度下可誘導(dǎo)IMC生長。

2.4 熱遷移對焊點剪切強度的影響

對大溫度梯度下熱遷移后的2種焊點測試的平均剪切強度如圖8所示。焊點高度為300 μm的焊點剪切強度高于焊點高度為100 μm焊點的強度，從21.1 MPa增加到27.3 MPa。由此表明焊點體積越大，表現(xiàn)出焊點的強度越高。同時，溫度梯度增大，焊點的剪切強度出現(xiàn)減小的趨勢，減小幅度為0.7～1.8 MPa，同樣體現(xiàn)了體積效應(yīng)的影響。

圖8 焊點的剪切強度

采用掃描電子顯微鏡對焊點斷口進行形貌分析，結(jié)果如圖9所示。

圖9 焊點斷口的SEM形貌

從圖9中可以發(fā)現(xiàn)：具有最高強度的焊點，由于在熱遷移下焊點中形成了較多的Cu6Sn5，且生長較緩慢致密，焊點斷裂于Cu6Sn5IMC層(見圖9(b))，表現(xiàn)出典型的脆性斷裂模式，高倍照片中可見裂紋穿過棒狀的IMC呈現(xiàn)光滑平直的斷裂形貌，IMC之間細小且結(jié)合緊密；而焊點高度為100 μm時，雖然Cu6Sn5層更厚，但生長的粗大造成斷裂方式為塑性斷裂(見圖9(a))，剪切強度也有所減小，高倍下可見明顯被拉長的韌窩，但局部仍可見脆性斷裂的痕跡；當(dāng)溫度梯度增大(如圖9(c)和(d))，由于焊點中的Cu6Sn5晶粒大小較相同焊點高度的明顯減少，焊點剪切強度減小，從斷口形貌中主要為被拉長的韌窩，斷裂均呈塑性特征。

3 結(jié)論

1) 焊點高度為100 μm和300 μm的Cu/Sn/Cu焊點，在200～20 ℃和200～0 ℃兩個不同的溫度梯度下， 焊點界面Cu6Sn5IMC層的厚度隨時間的延長逐漸增厚，原子遷移的量隨之增加。在相同時間下，隨著冷端溫度的降低，焊點界面IMC層的厚度逐漸增厚，熱遷移效果也越明顯。

2) 相同溫度梯度和時間下，焊點高度越小，其界面Cu6Sn5IMC逐漸變得越粗大，且IMC層厚增大。

3) 當(dāng)Cu/Sn/Cu焊點的溫度梯度增大，可為固態(tài)擴散提供足夠的驅(qū)動力，保證Cu原子能夠進行擴散，即在較大溫度梯度下可誘導(dǎo)固相IMC的生長。

4) 在較大的溫度梯度下，焊點高度為300 μm焊點的剪切強度(27.3 MPa)大于100 μm焊點的強度(21.1 MPa)，其中焊點高度高，Cu6Sn5IMC生長較緩慢致密，表現(xiàn)出較高強度的脆性斷裂。隨著焊點高度的減小，斷裂逐漸變成塑性特征，同時具備有脆性斷裂的痕跡。溫度梯度減小，焊點的斷裂模式主要以塑性為主。

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