電流密度對(duì)電-熱耦合下微焊點(diǎn)界面形貌的影響

張 寧,周暉淳, ,儲(chǔ) 杰,張春紅,宋 威

(1.徐州工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 徐州 221018;2.鹽城工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院優(yōu)集學(xué)院,江蘇 鹽城 224051;3.徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 生物裝備學(xué)院,江蘇 徐州 221006)

半導(dǎo)體和集成電路是信息化建設(shè)的基礎(chǔ)條件,是信息時(shí)代關(guān)鍵而重要的組成部分[1-2]。中國(guó)已是當(dāng)今世界最大的半導(dǎo)體和集成電路消費(fèi)市場(chǎng),但較低的自給水平導(dǎo)致年進(jìn)口額超過(guò)2000 億美元[3]。作為電子封裝器件中的連接部分,焊點(diǎn)不僅因固定器件要承受拉伸、剪切等外力,還要發(fā)揮傳導(dǎo)電流、傳輸信號(hào)的內(nèi)部效用[4]。隨著摩爾定律走到極限,芯片尺寸不斷縮小,新型的3D IC 封裝相較于傳統(tǒng)的倒裝芯片,其微焊點(diǎn)的尺寸已減小了一個(gè)數(shù)量級(jí)[5]。5G、可穿戴、互聯(lián)網(wǎng)的突起,電子設(shè)備小型化及高性能化的強(qiáng)烈需求,直接導(dǎo)致焊點(diǎn)內(nèi)電流密度的急劇增加,電遷移問(wèn)題成為微電子行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸,有關(guān)焊點(diǎn)電遷移問(wèn)題引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[6]。

目前,Cu/焊料/Ni 結(jié)構(gòu)是焊點(diǎn)最常見(jiàn)的連接方式之一[7]。在封裝制造及后續(xù)使用中面臨多方面的可靠性問(wèn)題,其中之一是由銅和鎳之間的交互作用造成的[8]。陳雷達(dá)等[9]采用Sn-9Zn 焊料連接銅板和鎳板,通過(guò)實(shí)時(shí)同步輻射成像發(fā)現(xiàn)施加大電流的焊縫Cu 溶解較大,當(dāng)電子由Ni→Cu時(shí),Cu 的消耗與電遷移時(shí)間線性相關(guān)。周斌等[10]對(duì)Cu/Ni/SnAg1.8/Cu 微焊點(diǎn)進(jìn)行電-熱耦合的老化實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)銅柱存在四種失效形式,即陽(yáng)極Cu 溶解侵蝕、形成全Cu3Sn 金屬間化合物(IMC)、陰極Ni 鍍層消耗以及層狀空洞。高麗茵等[11]針對(duì)MOSFET 器件失效焊點(diǎn)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在電-熱耦合作用下,器件陽(yáng)極處Cu 原子的電遷移與熱遷移反向,造成開(kāi)裂;而陰極處則為同向,導(dǎo)致開(kāi)裂更為嚴(yán)重。Wu 等[12]研究了電流方向?qū)u/Sn/Ni 接頭構(gòu)型中Cu-Ni 交叉相互作用的影響。當(dāng)電子流向Ni側(cè)時(shí),大量的Cu 被驅(qū)動(dòng)到Ni側(cè),導(dǎo)致(Cu,Ni)6Sn5的厚度增加;而當(dāng)電子流離開(kāi)Ni 側(cè)時(shí),則阻礙了Cu 向Ni側(cè)的擴(kuò)散。Zhong 等[13]通過(guò)瞬態(tài)液相鍵合方法制備Cu/Sn/Ni 超細(xì)互連焊點(diǎn),在熱遷移和Cu-Ni 相互交叉的耦合作用下,促進(jìn)了Cu 和Ni 總的原子通量,(Cu,Ni)6Sn5的生長(zhǎng)顯著加快,消除了Cu3Sn 的形成。

目前針對(duì)電遷移過(guò)程中界面IMC 厚度的消耗研究成果較多,有關(guān)溫度及電流密度對(duì)IMC 生長(zhǎng)的影響規(guī)律則尚不明確。本文設(shè)計(jì)制作了焊點(diǎn)電-熱耦合實(shí)驗(yàn)裝置,開(kāi)展了Cu/Sn3.0Ag0.5Cu-0.01BP/Ni 微焊點(diǎn)的電-熱耦合高溫時(shí)效實(shí)驗(yàn),對(duì)比分析了四組電流密度下高溫時(shí)效前后焊點(diǎn)界面組織的變化情況,研究了陽(yáng)極Cu 側(cè)和陰極Ni 側(cè)IMC 層的生長(zhǎng)機(jī)制和電-熱耦合兩種加速應(yīng)力對(duì)界面IMC 生長(zhǎng)行為的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)所用銅基板(w(Cu)≥99.99%)和鎳基板(w(Ni)≥99.99%)尺寸均為50 mm×12 mm×1 mm,將待焊面用砂紙進(jìn)行預(yù)磨光,并分別經(jīng)丙酮和乙醇超聲清洗處理。釬料合金為摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01%微米級(jí)黑磷粉末的Sn3.0Ag0.5Cu-0.01BP 無(wú)鉛復(fù)合釬料,采用專用夾具在加熱臺(tái)上釬焊搭接樣品,搭接寬度為0.5 mm,釬縫間隙為150 μm,溫度為250 ℃,時(shí)間為1 min。

將釬焊后的Cu/Sn3.0Ag0.5Cu-0.01BP/Ni 搭接焊件線切割成橫截面尺寸為0.5 mm×1 mm,長(zhǎng)度為23 mm 的條狀樣品,如圖1 焊點(diǎn)電-熱耦合實(shí)驗(yàn)示意圖中所示。按照?qǐng)D示搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),用耐高溫導(dǎo)線連接在試樣兩端,并固定在隔熱板上,Cu 端接入IT6722A 直流穩(wěn)壓電源的負(fù)極,Ni 端接入電源的正極,然后放入加熱箱中,同時(shí)對(duì)樣品施加高溫和電流兩種加速應(yīng)力,開(kāi)展四組熱電應(yīng)力組合的加速壽命實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)的四組電流密度分別為0,1.0×103,2.0×103和4.0×103A·cm-2(分別對(duì)應(yīng)2#、3#、4#和5#),加熱溫度為150 ℃,高溫時(shí)效時(shí)間為6 h。焊后不高溫時(shí)效的1#樣品作為對(duì)比研究。將電-熱耦合實(shí)驗(yàn)后的樣品分別經(jīng)切割、冷鑲、研磨、拋光及腐蝕處理,采用Inspect S50 掃描電子顯微鏡BSED 模式觀察焊后態(tài)和電-熱耦合實(shí)驗(yàn)的Cu 側(cè)和Ni側(cè)界面形貌變化情況,并用附帶的INCA 150 能譜儀進(jìn)行成分分析。采用Image-J 圖像軟件處理電鏡照片,并計(jì)算出焊點(diǎn)Cu、Ni 兩側(cè)界面IMC 的厚度。

圖1 焊點(diǎn)電-熱耦合實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of solder joint by electric-thermal coupling test

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同電流密度下Cu/Sn3.0Ag0.5Cu-0.01BP/Ni 焊點(diǎn)Cu 側(cè)電遷移行為

圖2 和圖3 分別為電-熱耦合條件下不同電流密度時(shí)Cu 端(陰極)界面組織的SEM 圖和EDS 成分分析。可以看出,電子(圖中以e-代表)從Cu 端流向Ni端,圖2(a)焊后態(tài)時(shí),Cu 基板與Sn3.0Ag0.5Cu-0.01BP復(fù)合釬料中的Sn 原子反應(yīng),生成一薄層扇貝狀的Cu6Sn5IMC,這可由圖3(a)對(duì)A 處的EDS 成分分析得出。分析結(jié)果顯示,Cu 元素的原子分?jǐn)?shù)為51.61%,Sn 元素的原子分?jǐn)?shù)為48.39%,由此可知A 處主要為Cu6Sn5相。電-熱耦合條件下,Cu、Ni 和Sn 元素在Cu 端一側(cè)相互遷移擴(kuò)散,從而在界面形成IMC 層并不斷長(zhǎng)大,呈現(xiàn)出不同的形態(tài)。

(a) 焊后態(tài)(0 h);(b) 0 A·cm-2,6 h;(c) 1.0×103 A·cm-2,6 h;(d) 2.0×103 A·cm-2,6 h;(e) 4.0×103 A·cm-2,6 h圖2 電-熱耦合下Cu 端(陰極)界面組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of Cu terminal (cathode) interface by electric-thermal coupling test

研究表明[14],濃度梯度、電子風(fēng)力和溫度梯度為元素?cái)U(kuò)散的主要驅(qū)動(dòng)力。濃度梯度的作用使銅基板中高濃度的Cu 元素經(jīng)由界面向低濃度的釬料合金中遷移擴(kuò)散,與釬料合金中的Sn 元素反應(yīng)生成Cu6Sn5金屬間化合物,并不斷增厚形成不同形態(tài)的IMC 層。電子風(fēng)力促使電子流向Ni 側(cè)時(shí),陰極界面的Cu 原子被驅(qū)動(dòng)到Ni側(cè),導(dǎo)致陽(yáng)極界面IMC 層不斷增厚,并阻礙陽(yáng)極界面Ni 原子流向Cu 側(cè)。溫度梯度的影響將促使金屬原子定向移動(dòng),此現(xiàn)象即為熱遷移。銅和鎳的電阻率分別為1.75 μΩ·cm 和9.6 μΩ·cm,銅的電阻率低于鎳,由焦耳熱公式可知,焦耳熱溫升與電阻值成正比。又因?yàn)殂~和鎳的導(dǎo)熱系數(shù)分別為401 W·(m·K)-1和91 W·(m·K)-1,系數(shù)越高,導(dǎo)熱性越好,即銅的導(dǎo)熱性優(yōu)于鎳,散熱性好,易于降低溫度,所以在電流應(yīng)力作用下,互連焊點(diǎn)的溫度梯度從Ni 端到Cu 端。本實(shí)驗(yàn)中原子熱遷移方向與電遷移方向相反,將阻礙電遷移效應(yīng)。

圖2(b)在無(wú)電流作用高溫時(shí)效6 h后,IMC 層的厚度和形態(tài)變化不明顯。而施加電流后,在1.0×103A·cm-2電流密度下,圖2(c)中IMC 層厚度增大。當(dāng)繼續(xù)增大電流密度到2.0×103A·cm-2時(shí),圖2(d)顯示IMC 層由長(zhǎng)條狀增長(zhǎng)為長(zhǎng)塊狀,且由銅基板向釬料合金方向呈指狀突出,由圖3(b)可知B 處的EDS 成分分析結(jié)果,Ni 元素的原子分?jǐn)?shù)為5.45%,Cu 元素的原子分?jǐn)?shù)為47.23%,Sn 元素的原子分?jǐn)?shù)為47.32%,由此可知B 處主要為(Cux,Niy)6Sn5相。電流密度增大到4.0×103A·cm-2時(shí),圖2(e)中IMC 層生長(zhǎng)更迅速,起伏更為明顯,沿電遷移方向朝釬料合金處的指狀突出密集而細(xì)長(zhǎng)。C 處成分也可由圖3(c)的EDS 分析結(jié)果可知Ni 元素的原子分?jǐn)?shù)為8.50%,Cu 元素的原子分?jǐn)?shù)為40.66%,Sn 元素的原子分?jǐn)?shù)為50.83%,推斷出為(Cux,Niy)6Sn5相。

圖3 電-熱耦合下Cu 端(陰極)界面組織的EDS 成分分析Fig.3 EDS composition analysis of Cu terminal (cathode) interface structure by electric-thermal coupling test

2.2 不同電流密度下Cu/Sn3.0Ag0.5Cu-0.01BP/Ni 焊點(diǎn)Ni 側(cè)電遷移行為

圖4 為電-熱耦合條件下不同電流密度時(shí)Ni 端(陽(yáng)極)界面組織的SEM 圖及EDS 成分分析。圖4(a)焊后態(tài)時(shí),Cu 基板與Sn3.0Ag0.5Cu-0.01BP 復(fù)合釬料中的Sn 原子以及從Cu 端穿過(guò)釬料擴(kuò)散而來(lái)的Cu 原子反應(yīng),生成一薄層扇貝狀的IMC 層。由圖4(b～e)可知,當(dāng)電流密度從0 A·cm-2不斷增大到1.0×103,2.0×103,4.0×103A·cm-2時(shí),在電遷移的作用下,大量的Cu 原子從陰極Cu 端擴(kuò)散穿過(guò)釬料至陽(yáng)極Ni端一側(cè),與 Sn 和 Ni原子反應(yīng),加速生 成(Cux,Niy)6Sn5相,界面IMC 層向釬料側(cè)快速增長(zhǎng)加厚,并出現(xiàn)大量集聚的島狀小塊體。D 處的成分可由圖4(f)EDS 分析結(jié)果得出,Ni 原子分?jǐn)?shù)為21.53%,Cu 原子分?jǐn)?shù)為29.25%,Ag 原子分?jǐn)?shù)為3.20%,Sn原子分?jǐn)?shù)為46.02%,推斷為(Cux,Niy)6Sn5相,并有少量的Ag 固溶體。

圖4 電-熱耦合下Ni 端(陽(yáng)極)界面組織形貌及EDS 成分分析Fig.4 Analysis of the microstructure and EDS composition of Ni terminal (anode) interface by electro-thermal coupling test

當(dāng)電流密度為4.0×103A·cm-2時(shí),比較Cu 端IMC 層的C 處和Ni 端IMC 層的D 處成分,Ni 的原子分?jǐn)?shù)由8.50%增大到21.53%,說(shuō)明有少量的Ni 原子穿過(guò)釬料至陰極Cu 端一側(cè);而Cu 的原子分?jǐn)?shù)僅由40.66%減少到29.25%,表明有大量的Cu 原子在電子風(fēng)力的作用下穿過(guò)釬料至陽(yáng)極Ni 端一側(cè)。雖然本實(shí)驗(yàn)中原子熱遷移方向與電遷移方向相反,阻礙了電遷移效應(yīng),但是電遷移起主導(dǎo)作用,促進(jìn)陽(yáng)極界面IMC 的形成及長(zhǎng)大。在錫基釬料中,Cu 原子的有效電荷數(shù)為-8,Ni 為-3.5,在電子流的作用下Cu 原子的移動(dòng)速度更快。Sn 中Ni 的固溶度僅為0.005%,150 ℃時(shí)的擴(kuò)散速率小于5.4×10-9cm2·s-1,因此Cu 擴(kuò)散到陽(yáng)極Ni 端界面的數(shù)量遠(yuǎn)大于Ni 擴(kuò)散到陰極Cu 端界面,最終陽(yáng)極界面IMC 層的厚度大于陰極界面。

2.3 Cu、Ni 兩側(cè)IMC 層生長(zhǎng)機(jī)制及界面行為

為精確對(duì)比電流密度對(duì)電-熱耦合下微焊點(diǎn)界面IMC 層厚度的影響,采用Image-J 圖像軟件處理焊點(diǎn)界面的電鏡圖片,將計(jì)算的IMC 層的面積除以IMC 層長(zhǎng)度,求得IMC 層的平均厚度,陽(yáng)極Ni 端和陰極Cu 端界面的測(cè)量結(jié)果如圖5 所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn),單純?cè)?50 ℃的熱時(shí)效狀態(tài)下,陽(yáng)極和陰極界面厚度都變化很小,6 h 僅分別增長(zhǎng)了10.4%和18.7%;施加電流后,在1.0×103A·cm-2小電流密度下,增加了焊點(diǎn)內(nèi)焦耳熱,同時(shí)與150 ℃的環(huán)境溫度疊加,進(jìn)一步提高了焊點(diǎn)溫度,減小了原子擴(kuò)散激活能,有利于原子的擴(kuò)散遷移,相較于單一的高溫時(shí)效應(yīng)力,電-熱耦合的雙重作用加速了界面IMC 層厚度的增大,陽(yáng)極和陰極界面IMC 層厚度分別比焊后態(tài)增長(zhǎng)了42.0%和180.0%;當(dāng)焊點(diǎn)電流密度超過(guò)2.0×103A·cm-2后,較大的電流密度進(jìn)一步加速Cu 原子向陽(yáng)極Ni 端的遷移速度,焊點(diǎn)的電遷移效應(yīng)更為突出,陽(yáng)極和陰極界面IMC 層厚度分別比焊后態(tài)增長(zhǎng)了4.75 倍和15.67 倍;電流密度4.0×103A·cm-2時(shí),IMC 層厚度更是增長(zhǎng)了9.82 倍和16.79倍。綜上可知,電-熱耦合作用下,在電流密度不大于4.0×103A·cm-2時(shí),陽(yáng)極Ni 端界面IMC 厚度大于陰極Cu 端界面IMC 厚度,表現(xiàn)出“極性效應(yīng)”。

圖5 電-熱耦合下Cu 端(陰極)和Ni 端(陽(yáng)極)界面IMC 厚度Fig.5 IMC thickness of Cu terminal (cathode) and Ni terminal(anode) by electric-thermal coupling test

實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)電子流向Ni 端時(shí),電流應(yīng)力會(huì)增強(qiáng)Cu 的向外擴(kuò)散并抑制Ni 的向內(nèi)滲透,Ni 端含Cu IMCs的生長(zhǎng)主要受到來(lái)自相對(duì)Cu 端的Cu 原子供應(yīng)支配。不施加電流時(shí),陰極端Cu 擴(kuò)散穿過(guò)Sn 釬料合金基體在陽(yáng)極端生成(Cux,Niy)6Sn5的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于Cu、Ni 兩端之間的溫度梯度和濃度梯度;而在電-熱耦合作用的影響下,穿過(guò)Sn 釬料合金基體的Cu 變?yōu)橛呻娏鲬?yīng)力、溫度梯度和濃度梯度共同決定,很明顯,隨著電流密度的增大,電流應(yīng)力的主導(dǎo)作用越發(fā)增強(qiáng),改變了陰極和陽(yáng)極界面IMC 層的主生長(zhǎng)機(jī)制,Meinshausen 等[15]和Gu 等[16]的研究也證明了這一點(diǎn)。

3 結(jié)論

本文基于焊點(diǎn)電-熱耦合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展了Cu/Sn3.0Ag0.5Cu-0.01BP/Ni 微焊點(diǎn)的電-熱耦合高溫時(shí)效實(shí)驗(yàn),研究了四組電流密度下高溫時(shí)效前后互連焊點(diǎn)的界面組織和IMC 層生長(zhǎng)機(jī)制。當(dāng)電子從陰極Cu 端流向陽(yáng)極Ni端,隨著電流密度的增大,Cu 端IMC 層由長(zhǎng)條狀的Cu6Sn5相增長(zhǎng)為長(zhǎng)塊狀的(Cux,Niy)6Sn5相,而后發(fā)展為密集而細(xì)長(zhǎng)的指狀,Ni 端則生成較厚的(Cux,Niy)6Sn5IMC 層。單純熱時(shí)效狀態(tài)下,陽(yáng)極Ni端生成(Cux,Niy)6Sn5相的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于Cu、Ni 兩端之間的溫度梯度和濃度梯度,Ni 端和Cu 端界面厚度僅增長(zhǎng)了10.4%和18.7%;施加電流后,相對(duì)于溫度梯度和濃度梯度,電流應(yīng)力逐步起主導(dǎo)作用,改變了陰極和陽(yáng)極界面IMC 層的主生長(zhǎng)機(jī)制,高電流密度下Ni 端和Cu 端界面厚度最大增長(zhǎng)了9.82 倍和16.79 倍。