釬焊接頭金屬間化合物層形貌對(duì)擴(kuò)散濃度和應(yīng)力的影響

劉文斌, 李宏萍,張旭東, 孫學(xué)敏, 任軍強(qiáng)*

(1. 云南錫業(yè)集團(tuán)(控股)有限責(zé)任公司 研發(fā)中心, 云南 昆明 650106; 2. 西安交通大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)信息中心, 陜西 西安 710049; 3. 蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730050)

在微電子封裝技術(shù)中焊點(diǎn)的可靠性在某種程度上取決于焊點(diǎn)與涂飾或電鍍材料界面上金屬間化合物(IMC)的形成[1].1～2 μm IMC的生長(zhǎng)通常也被認(rèn)為是焊接及潤濕性良好的標(biāo)志,盡管這些IMC可能具有脆性[2].在芯片封裝技術(shù)中微焊點(diǎn)連接多采用軟釬焊技術(shù),Sn釬料與Cu焊盤界面間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散而形成IMC層,其成分主要為Cu6Sn5和Cu3Sn.這種IMC的形成對(duì)產(chǎn)品的力學(xué)行為有重要的影響,尤其是焊接點(diǎn)Cu6Sn5的過度生長(zhǎng)容易發(fā)生斷裂,導(dǎo)致焊點(diǎn)強(qiáng)度和壽命降低[3].然而過厚的IMC層并不是焊接接頭強(qiáng)度退化的唯一原因,例如使用SnBi系釬料代替SnPb系釬料時(shí),釬料與基材之間的Bi偏析也會(huì)嚴(yán)重影響接頭的強(qiáng)度[4-5],另外,焊接過程中在界面形成的空洞也會(huì)影響到焊點(diǎn)的力學(xué)性能[6-7].可見焊接接頭的可靠性對(duì)芯片封裝的質(zhì)量至關(guān)重要.

基體材料在焊接過程中都可以與錫基釬料形成不同的IMC,隨著焊接溫度或時(shí)間的增加,IMC層的厚度和Cu6Sn5晶粒尺寸增大,特別是隨著封裝的不斷小型化,IMC與焊錫的比例隨著互連線的縮小而增加.以往的研究證實(shí),在高溫時(shí)效環(huán)境下,接頭的強(qiáng)度通常隨著IMC層厚度的增加而惡化[8],這種促使IMC厚度增加的主要原因是Sn原子和Cu原子在梯度方向擴(kuò)散的同時(shí)發(fā)生固相反應(yīng)[9],而且在時(shí)效過程中,以原子擴(kuò)散為主導(dǎo)機(jī)制的作用下,微觀結(jié)構(gòu)也發(fā)生演化[10],原位應(yīng)力的測(cè)量結(jié)果表明,在Cu-Sn薄膜等溫時(shí)效過程中,早期呈拉應(yīng)力演化,最終呈壓應(yīng)力演化,拉伸力來自反應(yīng)互擴(kuò)散的體積收縮,而壓縮應(yīng)力來自Cu向Sn的主導(dǎo)擴(kuò)散的體積膨脹[11].可見,IMC層的固體擴(kuò)散行為以及界面形狀的改變會(huì)引起應(yīng)力[3,12].

本文通過實(shí)驗(yàn)結(jié)合有限元方法,分析了不同界面IMC層中Cu原子擴(kuò)散演化以及擴(kuò)散應(yīng)力的大小與分布.

1 實(shí)驗(yàn)及有限元分析方法

實(shí)驗(yàn)采用純度均大于99.9%(wt.%)的純金屬 Cu、Sn為原料.實(shí)驗(yàn)前對(duì)Cu基板進(jìn)行磨拋,即先用800#～5000#水砂紙進(jìn)行打磨,然后用1 μm金剛石研磨膏拋光至無劃痕后超聲清洗.對(duì)純Sn顆粒用5000#水砂紙打磨后超聲清洗.

焊接試驗(yàn)流程如圖1所示.對(duì)焊接接頭沿截面磨拋,方法如前.磨拋后的樣品放入3% HCl+2% H2O+95%酒精溶液中腐蝕30 s,然后依次用水、酒精沖洗.制備好的樣品采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(QUA-NTA FEG 450)的背散射電子模式(BSED)觀察IMC層微觀組織形貌和成分襯度,采用能譜儀(EDS,Oxford,X-Max 80)和X-射線衍射儀(XRD,D8 ADVANCE)對(duì)Sn/IMC/Cu界面成分和物相分析.

圖1 焊接實(shí)驗(yàn)流程圖

根據(jù)焊接接頭掃描電鏡照片,利用圖像處理及網(wǎng)格劃分技術(shù),在有限元軟件中重構(gòu)焊料/IMC/Cu結(jié)構(gòu)二維平面模型.在等溫時(shí)效的初始階段,Cu3Sn層的厚度較薄,IMC以Cu6Sn5層為主,因此在有限元分析模型中暫不考慮Cu3Sn層的影響,采用三明治狀兩界面模型,其模型示意圖如圖2所示.為研究不同界面的影響,模擬計(jì)算時(shí)選定了兩個(gè)典型區(qū)域,一個(gè)焊料/IMC層界面層較為粗糙,而另一個(gè)則較為平緩.

圖2 解析模型Fig.2 The analytical model

模擬采用完全耦合熱應(yīng)力分析,可切實(shí)反應(yīng)溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)相互作用關(guān)系.根據(jù)焊接接頭中IMC擴(kuò)散應(yīng)力工況需要,模型左右兩側(cè)分別約束x方向位移,模型底部約束y方向位移.在兩界面模型中,Cu原子在 IMC 層中的擴(kuò)散濃度C是y坐標(biāo)與時(shí)間t的函數(shù),遵從Fick 第二定律,即：

式中：C為Cu 原子濃度;D為擴(kuò)散系數(shù).而熱傳導(dǎo)方程可寫為：

式中:k為導(dǎo)熱系數(shù);ρ為密度;c為比熱容.令k/(ρc)=D,則式(1)與式(2)中溫度與濃度等效.通過求解溫度場(chǎng),可得到Cu原子濃度的大小和分布.令I(lǐng)MC/Cu邊界的初始溫度值等于此處Cu原子的初始濃度值T=0.006 45；在焊料/IMC邊界,初始溫度等于此處 Cu原子的初始值T=0.整個(gè)模型均采用4節(jié)點(diǎn)熱力耦合單元(CPE4T),計(jì)算模擬所用材料參數(shù)見表1[11,13].

表1 模擬所用材料參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)及模擬結(jié)果分析

2.1 焊點(diǎn)顯微組織

圖3給出了焊點(diǎn)顯微組織掃描電鏡照片,圖中顯示了Sn釬料基體,IMC層和Cu基體三個(gè)區(qū)域. 由于與釬料接觸時(shí)扇貝形晶粒保持穩(wěn)定,始終呈現(xiàn)扇形形態(tài),從而產(chǎn)生明顯的凹凸不平的扇貝形界面[14].IMC層隨著時(shí)效時(shí)間的增加而生長(zhǎng)變厚[15],如圖3所示.

在圖3a中觀察到IMC層/Sn釬料界面凹凸起伏嚴(yán)重,粗糙度較大；圖3b中IMC層/Sn釬料界面粗糙度較低,形成較為規(guī)則的扇貝形界面.兩種類型界面的IMC層都是沿著Cu-Sn方向向Sn釬料內(nèi)部生長(zhǎng),界面形成Cu6Sn5,且在Cu6Sn5層下方明顯觀察到新相,XRD測(cè)定新相為Cu3Sn,Sn原子的擴(kuò)散受到Cu6Sn5層的阻擋,形成Cu3Sn層.

圖3 IMC顯微結(jié)構(gòu)Fig.3 Microstructure of IMC

已有研究表明,在釬料或者Cu基體中加入微量合金元素可以抑制界面IMC層的過度生長(zhǎng),改善力學(xué)性能,提高焊料合金的抗拉強(qiáng)度、延展性、抗蠕變性能和焊點(diǎn)的抗沖擊性能[16-20],抑制Cu6Sn5向Cu3Sn的轉(zhuǎn)化[21].用少量Zn合金Cu襯底替代含Zn釬料的方法,既避免了釬料潤濕性的惡化,又保持了釬料對(duì)IMC生長(zhǎng)的抑制作用[22].在IMC相中,Cu6Sn5在Sn/Cu界面處的驅(qū)動(dòng)力最大,說明在潤濕過程中,首先在Sn/Cu界面處生成Cu6Sn5[23],雖然Cu6Sn5在IMC層中起主導(dǎo)作用,但它并不是界面處唯一的IMC層,在Cu基體和Cu6Sn5層界面處還會(huì)形成Cu3Sn層.隨著時(shí)效進(jìn)行,Cu6Sn5對(duì)Sn原子擴(kuò)散形成阻擋,在Sn含量不足時(shí)形成Cu3Sn層,導(dǎo)致Cu3Sn層變厚.

可見,Sn和Cu在不同的IMC中的擴(kuò)散速率不同.在熱時(shí)效過程中,扇形晶粒之間的凹槽為Sn和Cu原子通過IMC層提供了便利的通道.通過長(zhǎng)時(shí)間的熱時(shí)效會(huì)使本來凹凸不同的界面變得平直且均質(zhì)化,同時(shí)界面能降低[22]，且在等溫時(shí)效過程中,Sn和Cu原子是Sn/Cu界面擴(kuò)散的主要成分,已有實(shí)驗(yàn)表明,IMC層上的生長(zhǎng)與時(shí)效時(shí)間t1/2呈線性關(guān)系,其中生長(zhǎng)斜率可以用擴(kuò)散系數(shù)D反映,擴(kuò)散系數(shù)D可以用Arrhenius方程表示:

D=D0e-Q/RT

式中:D0是擴(kuò)散常數(shù);Q是擴(kuò)散活化能;R是通用氣體常數(shù)，R=8.314 J·(mol·K)-1[22];T為絕對(duì)溫度.因此,D是溫度因變量,在等溫時(shí)效過程中,D隨時(shí)效溫度的增加而增加.

2.2 有限元分析IMC層中Cu原子濃度演化

根據(jù)圖3中焊點(diǎn)掃描電鏡照片,利用圖像處理及網(wǎng)格劃分技術(shù),在有限元軟件中重構(gòu)了釬料/IMC/Cu結(jié)構(gòu)二維平面局部有限元模型,如圖4所示.建立的Sn釬料/IMC(Cu6Sn5)/Cu的界面有限元模型中IMC層厚度最大為45 μm,通過完全耦合熱應(yīng)力分析可以研究Cu基體中Cu原子向IMC層擴(kuò)散為主的擴(kuò)散機(jī)制[24].

圖4 Sn釬料/IMC/Cu基體有限元模型Fig.4 Sn solder/IMC/Cu matrix finite element model

圖5給出了IMC層中Cu原子濃度隨時(shí)間演化云圖.圖5a及圖5c中,擴(kuò)散過程剛開始時(shí),Cu 原子集中在 IMC/Cu界面,靠近Sn釬料/IMC一側(cè)濃度很低；隨著時(shí)間推移,Cu原子逐漸從 IMC/Cu 界面向Sn釬料/IMC 界面擴(kuò)散.從圖5b及圖5d可以看到,Sn釬料/IMC界面存在不規(guī)則的波峰和波谷起伏,Cu原子擴(kuò)散在波谷處受到了阻礙.對(duì)比兩種模型在不同時(shí)刻的Cu原子云圖可以看到,尤其在150 000 s時(shí)的圖5b與圖5d,焊料/IMC界面顯著影響Cu原子擴(kuò)散.

圖5 IMC層中Cu原子濃度隨時(shí)間演化云圖Fig.5 Cloud diagram of the evolution of Cu atom concentration in the IMC layer over time

2.3 IMC層中擴(kuò)散應(yīng)力演化

如前所述,由于在本模型中主要考慮的是Cu原子向釬料中定向擴(kuò)散的機(jī)制,因此,IMC層中的擴(kuò)散應(yīng)力應(yīng)為壓應(yīng)力.圖6為得到的IMC層中由擴(kuò)散引發(fā)的垂直于擴(kuò)散方向上壓應(yīng)力結(jié)果云圖.受壓的區(qū)域隨著Cu 原子向 IMC層的擴(kuò)散而擴(kuò)展.在靠近IMC/Cu界面處的擴(kuò)散應(yīng)力較大,沿著 Cu 原子擴(kuò)散方向擴(kuò)散應(yīng)力逐漸減小.同時(shí)可以看到,IMC/Cu界面形貌也影響其正應(yīng)力分布.不規(guī)則界面導(dǎo)致局部存在較高正應(yīng)力.宏觀上,擴(kuò)散應(yīng)力可以引起材料變形,微觀上則可能在材料內(nèi)部形成位錯(cuò)和微裂紋,從而影響材料的力學(xué)性能.

圖6 界面為平面的IMC層中擴(kuò)散應(yīng)力隨時(shí)間演化結(jié)果Fig.6 The evolution of the diffusion stress with time in the IMC layer with a flat interface

2.4 不同界面對(duì)Cu原子濃度及擴(kuò)散應(yīng)力的影響

為進(jìn)一步定量分析界面對(duì)Cu原子濃度及擴(kuò)散應(yīng)力的影響,將圖4中的兩種IMC微結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為理想的平直Sn釬料/IMC(Cu6Sn5)界面和扇貝形Sn釬料/IMC(Cu6Sn5)界面模型,厚度均為10μm,如圖7所示.

圖7 兩種特殊Sn釬料/IMC(Cu6Sn5)界面模型Fig.7 Two kinds of special Sn solder/IMC (Cu6Sn5) interface model

圖8給出了不同時(shí)刻,上述兩種模型中IMC層中Cu原子濃度沿著擴(kuò)散方向路徑上的分布和大小.可以看到,在平直IMC界面中,開始在IMC與Cu界面處存在較高的Cu原子含量,隨著距離增加,其含量急劇降低,在靠近釬料/IMC一側(cè)不存在Cu原子.隨著時(shí)間推移Cu原子逐漸從IMC/Cu 界面向釬料/IMC 界面擴(kuò)散,最終Cu原子含量與IMC層厚度呈線性關(guān)系.

圖8 兩種特殊界面IMC層中Cu原子濃度隨時(shí)間演化云圖Fig.8 Concentration of Cu atoms in the IMC layer at two special interfaces evolving with time

扇貝形界面中Cu原子的擴(kuò)散受到了凹凸不平的界面的阻礙.即使擴(kuò)散時(shí)間足夠長(zhǎng),扇貝形界面模型中Cu原子濃度與擴(kuò)散距離不會(huì)達(dá)到線性關(guān)系.扇貝形界面的Cu原子濃度整體都比平面形界面時(shí)的低.

圖9為IMC層中由擴(kuò)散引發(fā)的垂直于擴(kuò)散方向的壓應(yīng)力在不同時(shí)刻隨IMC層厚度變化情況.受壓的區(qū)域隨著 Cu 原子向 IMC 層的擴(kuò)散而擴(kuò)展.越靠近IMC與Cu界面,受到的壓應(yīng)力越大.擴(kuò)散開始時(shí)IMC層中整體應(yīng)力偏低,隨著時(shí)間增加,IMC層中壓應(yīng)力逐漸增加.在平直IMC界面中,其應(yīng)力大小與深度變化幾乎為線性關(guān)系；而在扇貝形界面,由于原子的擴(kuò)散受到了阻礙,在波峰處受到的壓力較小.

圖9 兩種特殊界面IMC層中擴(kuò)散應(yīng)力演化Fig.9 The evolution of the diffusion stress in IMC layer with special interface

圖10a給出了不同時(shí)刻,界面為平面的IMC層和界面為扇貝形的 IMC 層中Cu 原子濃度沿著擴(kuò)散方向路徑上的分布和大小.平坦界面模型中取不同時(shí)刻下圖7a中路徑1方向數(shù)據(jù).扇貝形界面取模型中沿圖7b中路徑2 的Cu原子濃度擴(kuò)散結(jié)果.可以看到,擴(kuò)散開始時(shí),界面形貌對(duì)Cu原子擴(kuò)散沒有顯著影響.隨著擴(kuò)散的繼續(xù),扇貝形界面模型中 Cu 原子的擴(kuò)散受到了凹凸不平的界面的阻礙，即使擴(kuò)散時(shí)間足夠長(zhǎng),扇貝形界面模型中 Cu 原子濃度與擴(kuò)散距離不會(huì)達(dá)到線性關(guān)系,最終 Cu 原子濃度整體都比界面為平面時(shí)低.

圖10 不同界面對(duì)Cu原子濃度及擴(kuò)散應(yīng)力的影響Fig.10 The influence of different interfaces on Cu atom concentration and diffusion stress

由圖10b對(duì)比平坦界面與扇貝形界面的IMC 層中擴(kuò)散應(yīng)力情況可以看到,剛開始擴(kuò)散時(shí),擴(kuò)散應(yīng)力分布幾乎一致,在平坦界面處受到更高的壓應(yīng)力.隨著擴(kuò)散的繼續(xù),平坦界面中擴(kuò)散應(yīng)力與IMC層厚度呈線性關(guān)系.扇貝形界面模型中Cu原子擴(kuò)散受到了的界面阻礙,使得IMC層內(nèi)擴(kuò)散應(yīng)力與IMC層厚度為非線性關(guān)系且整體比平坦界面模型要小.

3 結(jié)論

(1) 利用有限元建模重構(gòu)了IMC真實(shí)微結(jié)構(gòu),通過對(duì)比研究可以看到,IMC層與釬料的界面形貌可顯著影響Cu原子濃度及擴(kuò)散應(yīng)力行為.擴(kuò)散剛開始時(shí),釬料/IMC界面形貌對(duì)擴(kuò)散影響不大,隨著擴(kuò)散的繼續(xù),界面形貌的影響會(huì)越來越明顯.

(2) 凹凸不平的界面形貌會(huì)阻礙Cu原子的擴(kuò)散,且越靠近界面處影響越顯著；扇貝形界面模型比平坦界面模型更快達(dá)到擴(kuò)散平穩(wěn)態(tài).

(3) 最終扇貝界面模型中Cu原子濃度比平坦界面模型中Cu原子濃度小,這使得扇貝界面模型中擴(kuò)散應(yīng)力影響區(qū)域整體比平坦界面模型中的小.

致謝：本文受到云南錫業(yè)集團(tuán)(控股)有限責(zé)任公司研發(fā)基金(YT-YF-2020-13)的資助，在此表示感謝.