固態(tài)熱遷移下Cu/SAC305/Cu微焊點界面IMCs微觀形貌演變研究

楊廓 李五岳 李爽 閆志成 田野

摘 要：【目的】研究固態(tài)熱遷移條件下Cu/SAC305/Cu微焊點中金屬間化合物（IMCs，Intermetallic Compounds）微觀形貌演變與非均勻化生長規(guī)律?！痉椒ā渴褂没亓骱笝C制備微焊點，并利用固態(tài)熱遷移平臺開展熱遷移試驗。【結(jié)果】隨著熱遷移時間的延長，在冷端Cu與Cu6Sn5界面處產(chǎn)生Cu3Sn新相，界面IMCs總厚度增加，形貌由均勻分布的扇貝狀轉(zhuǎn)化為層狀，微焊點界面存在冷端IMCs增長顯著快于熱端的非均勻化生長現(xiàn)象。【結(jié)論】研究了Cu/SAC305/Cu微焊點服役過程中微觀形貌演變規(guī)律，為可靠性評估提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：Cu/SAC305/Cu微焊點；固態(tài)熱遷移；非均勻化生長

中圖分類號：TG40；TN405?? 文獻標志碼：A ????文章編號：1003-5168（2024）08-0040-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.08.008

Microstructure Evolution of Cu/SAC305/Cu Micro-Solder Joint

Interface IMCs Under Solid State Thermal Migration

YANG Kuo LI Wuyue LI Shuang YAN Zhicheng TIAN Ye

（Henan University of Technology， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： [Purposes] This paper studies the microstructural evolution and non-uniform growth law of intermetallic compounds in Cu/SAC305/Cu micro-solder joints under solid-state thermal migration conditions. [Methods] In this paper， the reflow soldering mechanism is used to prepare micro solder joints， and the thermal migration test is carried out by using the solid-state thermal migration platform. [Findings] As the thermal migration time increases， Cu3Sn new phase forms at the Cu/Cu6Sn5 interface on the cold side， and the total thickness of the intermetallic compounds （IMCs） at the interface increases. The morphology changes from a uniformly distributed fan-shaped structure to a layered structure. The micro-solder joint interface exhibits a non-uniform growth phenomenon where the growth rate of the IMCs on the cold side is significantly faster than that on the hot side. [Conclusions] This experiment investigates the microstructural evolution of Cu/SAC305/Cu micro-solder joints during service， providing valuable insights for reliability assessment.

Keywords： Cu/SAC305/Cu micro-solder joints; solid-state thermal migration; non-uniform growth

0 引言

芯片特征尺寸接近物理極限，制約了摩爾定律延續(xù)，導致半導體工業(yè)進入“后摩爾時代”［1］。與此同時，隨著人們對電子產(chǎn)品性能及可靠性要求的逐漸提高，電子產(chǎn)品不斷向微型化、高性能和多功能方向發(fā)展，致使三維IC集成微互連高密度化，互連尺寸不斷減小，微焊點的尺寸甚至縮小至10 μm以下［2］。這給微焊點的可靠性和工作壽命帶來了較大的挑戰(zhàn)，其中較為顯著的是在服役過程中，由溫度梯度導致原子定向遷移致使微焊點微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，從而顯著影響微焊點的力學性能。Cu/SAC305（Sn-3.0Ag-0.5Cu）/Cu互連結(jié)構(gòu)為微電子封裝的主要焊接結(jié)構(gòu)之一，因此研究在固態(tài)熱遷移條件下Cu/SAC305/Cu微焊接結(jié)構(gòu)中IMC微觀結(jié)構(gòu)演變有著重要意義，可為該種微焊點的可靠性評估提供一定的參考。

近年來，Ouyang等［3］采用原位觀察法研究了SAC305釬料的微焊點，發(fā)現(xiàn)Sn原子會在固態(tài)熱遷移效應作用下定向遷移至熱端，并在附近釬料中積聚，同時冷端形成大量的孔洞。Hsu等［4］研究了Cu/Sn-Ag/Cu微焊點的熱遷移現(xiàn)象對IMC的作用規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著服役時間的延長，冷端界面的Cu6Sn5層明顯厚于熱端界面。Li等［5］研究發(fā)現(xiàn)冷端IMC的生長速率是熱端的2.7倍，并出現(xiàn)顯著的非均勻生長現(xiàn)象。隨著服役時間的增加，IMC厚度增加，使得非均勻現(xiàn)象愈加明顯，力學性能隨之發(fā)生改變，從而使微焊點的可靠性及工作壽命受到影響［6］。

本研究基于峰值溫度270 ℃下回流制備互連高度為20 μm的Cu/SAC305/Cu微焊點，通過控制微焊點在熱遷移平臺上的熱遷移時間，觀察不同時間節(jié)點（25 h、60 h、100 h和130 h）下焊點的微觀組織形貌，研究Cu/SAC305/Cu結(jié)構(gòu)中熱、冷端兩端界面IMC的微觀形貌演變規(guī)律。

1 試驗過程及方法

試驗所用母材為T2級紫銅棒（純度99.9%、長度20 mm、直徑1 mm），釬料選用SAC305（尺寸為2 mm×2 mm×30 μm）。首先，制備微焊點。將母材和釬料清洗后，使用自制高精度夾具固定并控制互連高度在20 μm，后放入無鉛回流焊機（HW-R108NC）中，設置峰值溫度為270 ℃，回流時間為410 s，回流完成后迅速取出并冷卻至室溫。其次，開展熱遷移試驗。使用高溫膠將回流試樣固定在自制的熱遷移平臺上，設置焊點的溫度梯度為5 750 ℃/cm，并控制熱遷移時間為25 h、60 h、100 h和130 h。最后，觀察微觀組織形貌。將熱遷移試樣放入模具中，加入環(huán)氧樹脂進行冷鑲嵌固定，脫模后使用不同目數(shù)的砂紙進行粗磨和細磨，隨后依次使用粒徑為0.3 μm、0.05 μm的Al2O3拋光液進行拋光，接著將其置于1%鹽酸+99%無水乙醇混合液中腐蝕2 s。隨后將處理后的熱遷移試樣放置在SIGMA500蔡司掃描電子顯微鏡下，對橫截面形貌進行觀察，并利用ImageJ圖像處理和origin數(shù)據(jù)分析等軟件對試驗結(jié)果進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 回流后Cu/SAC305/Cu微焊點微觀組織形貌變化

270 ℃下經(jīng)回流鍵合410 s后Cu/SAC305/Cu微焊點的橫截面SEM如圖1所示。由圖1可知，微焊點組織形貌可分為銅母材、釬料層以及銅層與釬料層之間的界面IMC等三部分，其中界面IMC形貌為連續(xù)均勻的扇貝狀，兩側(cè)IMC的厚度分別約為0.733 μm、0.837 μm。兩側(cè)IMC層厚度存在微小的差距，可能與回流過程中微焊點兩側(cè)存在溫度差以及測量和計算時的誤差有關(guān)。

回流后界面IMC的EDX圖譜如圖2所示。由圖2可知，Cu原子百分比為54.82％，結(jié)合圖3的Cu-Sn二元相圖，可知界面IMC為Cu6Sn5，且沒有檢測到Cu3Sn存在。這是由于該微焊點在回流過程中發(fā)生反應擴散，即隨著溫度升高釬料熔化，Cu向熔融態(tài)釬料層中擴散，當Cu原子在釬料中的溶解度達到飽和后，Cu原子與Sn原子結(jié)合生成Cu6Sn5。

2.2 固態(tài)熱遷移下Cu/SAC305/Cu微焊點IMC演變研究

不同熱遷移時間下Cu/SAC305/Cu微焊點橫截面微觀形貌SEM如圖4所示。熱遷移25 h后的形貌如圖4（a）所示，可以觀察到兩側(cè)界面Cu6Sn5晶粒經(jīng)熱遷移25 h后，由初始的扇貝狀轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為平整的層狀。其厚度也有所增加，其中冷端增厚顯著，冷端厚度為2.740 μm，熱端厚度為0.954 μm。同時可以觀察到，在冷端Cu/Cu6Sn5界面處產(chǎn)生了一薄層IMC，對此層IMC進行EDX能譜分析，如圖5所示，Cu原子占比76.24％，Sn原子占比23.76%，并結(jié)合Cu-Sn二元相圖可知，此層IMC為Cu3Sn。其中Cu3Sn有兩種來源。Cu6Sn5層增厚從而有效抑制Cu原子向熔融態(tài)釬料中擴散，導致Cu6Sn5層中Cu原子濃度升高，Cu6Sn5與Cu原子反應生成Cu3Sn。同時界面處的Sn原子濃度較高時，Cu原子可以與Sn原子直接反應生成Cu3Sn。

隨著熱遷移時間增加到60 h，如圖4（b）所示，Cu6Sn5依然表征為層狀并產(chǎn)生明顯突起，冷端厚度顯著增加至7.570 μm，Cu3Sn厚度略微增加。熱端厚度有些許增長，為1.573 μm。熱遷移時間繼續(xù)延長至100 h和130 h，如圖4（c）和（d）所示，IMC形貌和種類不變，且明顯觀測到冷端界面Cu6Sn5的厚度增加迅速，Cu3Sn無明顯變化。熱端Cu6Sn5層的厚度略微增加。經(jīng)測量，100 h和130 h冷端的厚度分別為8.180 μm和10.980 μm，熱端的厚度分別為2.168 μm和2.010 μm。

由圖4（d）可知，熱遷移130 h時，冷端IMC與熱端IMC部分接觸，釬料占比隨著Cu-Sn固-固反應而不斷減少，逐漸向全IMCs微焊點轉(zhuǎn)變，力學性能也隨之改變，由于IMC質(zhì)硬脆，因此拉伸強度將會逐漸增加。

不同熱遷移時間Cu6Sn5層厚度變化如圖6所示。冷端厚度顯著增加，在60 h前厚度增加迅速，隨即減緩，最后在100 h后厚度增加再次加快；熱端厚度變化不明顯，始終保持均勻緩慢增加。兩側(cè)Cu6Sn5高度差隨著時間的延長而增加，非均勻化生長現(xiàn)象愈加顯著。這是由于在溫度梯度作用下，Cu原子自熱端向冷端遷移，冷端反應界面處Cu濃度始終處于高濃度狀態(tài)，該側(cè)的Cu6Sn5生長速率較快，厚度增長迅速。而熱端Cu原子濃度由于Cu原子的熱遷移而處于較低的狀態(tài)，Cu6Sn5生長速率較慢，熱端厚度增長緩慢。

綜上所述，熱遷移后兩側(cè)IMC形貌發(fā)生轉(zhuǎn)變，由均勻分布的扇貝狀轉(zhuǎn)為層狀，在冷端Cu和Cu6Sn5間產(chǎn)生Cu3Sn新相，兩側(cè)IMC厚度均有增加，并發(fā)生冷端生長速率遠大于熱端的非均勻性生長現(xiàn)象。

3 結(jié)論

①等溫回流過程中，Cu6Sn5為均勻連續(xù)的扇貝狀，且兩側(cè)Cu6Sn5層的厚度接近。

②熱遷移過程中，Cu6Sn5由扇貝狀逐漸轉(zhuǎn)化為層狀，并在冷端的Cu/Cu6Sn5界面處產(chǎn)生層狀Cu3Sn相。

③隨著熱遷移時間的延長，兩側(cè)IMC非均勻化生長愈發(fā)明顯，其中冷端厚度增長遠遠大于熱端，且反應前期增長速度較快，隨著反應的進行逐漸減緩，到反應后期再次加快。

④熱遷移后期，兩端IMC部分連接，有向全IMCs微互聯(lián)點轉(zhuǎn)變的趨勢。

⑤微互連點中IMCs占比增大，其力學性能將由釬料主導轉(zhuǎn)變?yōu)镮MCs主導，因此力學性能將發(fā)生變化。

參考文獻：

［1］劉寶磊.Cu-Sn化合物電流輔助定向生長與微焊點瞬態(tài)鍵合機理［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2017.

［2］陳湜.等溫回流時Cu/Sn/Cu微尺度焊點界面IMC生長行為與晶粒演變研究［D］.大連：大連理工大學，2020.

［3］OUYANG F Y， KAO C L. In situ observation of thermomigration of Sn atoms to the hot end of 96.5Sn-3Ag-0.5Cu flip chip solder joints［J］. Journal of Applied Physics， 2011， 110（12）：123525.

［4］HSU W N， OUYANG F Y. Effects of anisotropic β-Sn alloys on Cu diffusion under a temperature gradient［J］. Acta Materialia， 2014， 81：141-150.

［5］LI Y， XU L Y， ZHAO L， et al. Inhibition of roof-type Cu6Sn5 grains on migration of Cu atoms under temperature gradient ［J］. Journal of Materials Science， 2024，59（2）：669-685.

［6］GONG J， LIU C， CONWAY P P， et al. Evolution of CuSn intermetallics between moltenSn/Ag/Cu solder and Cu substrate［J］. Acta Materialia， 2008， 56（16）：4291-4297.

收稿日期：2024-03-01

基金項目：河南省科技攻關(guān)項目“半導體集成電路的系統(tǒng)級三維堆棧封裝鍵合技術(shù)研發(fā)”（182102410048）。

作者簡介：楊廓（1997—），男，碩士生，研究方向：微互連工藝及可靠性。

通信作者：田野（1981—），男，博士，教授，研究方向：集成電路系統(tǒng)。