电子封装中Cu/Sn/Cu焊点组织演变及温度对IMC立体形貌影响

通过电镀的方法在抛磨好的铜基体沉积4 μm的锡层,并组合成一个Cu/Sn/Cu结构.分别选择240℃、1 N作为钎焊温度和钎焊压力,在不同的钎焊时间下制备焊点,分析了Cu/Sn/Cu焊点组织演变规律.分别制备了不同钎焊温度下（240,270,300℃） Cu₆Sn₅和Cu₃Sn的立体形貌,分析了温度对Cu₆Sn₅和Cu₃Sn立体形貌的影响规律.结果表明,钎焊30 min后Cu₆Sn₅为平面状,随着钎焊时间的增加逐渐转变成扇贝状.在扇贝底部的Cu₃Sn要比扇贝两侧底部的Cu₃Sn厚.增加钎焊时间锡不断被反应,上下两侧Cu₆Sn₅连成一个整体.继续增加钎焊时间Cu₆Sn₅不断转变成为Cu₃Sn.随着钎焊温度的升高Cu₆Sn₅的立体形貌逐渐由多面体状转变成匍匐状,而Cu₃Sn晶粒随着钎焊温度上升不断减小.     

基于原位观察Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu钎焊接头110℃时效过程中的显微结构

基于自制原位观察装置,研究了Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu焊点在110℃恒温时效下,0~168 h不同时效时间界面金属间化合物(IMC)的微观形貌和生长变化规律.结果表明,随着时效时间的延长,界面IMC(Cu₆Sn₅和Cu₃Sn)的厚度在不断增加;同时IMC的生长具有三维特性;随着时效时间的延长,Cu₆Sn₅在纵向方向上变化比较明显,高度是逐渐降低的;而在横向方向上变化较慢.SEM研究发现,时效过程中界面IMC的形貌由扇贝状转变成较为平整的层状,并出现分层现象.     

BGA结构Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu焊点低温回流时界面反应和IMC生长行为

采用差示扫描量热法将焊点的熔化行为表征与焊点回流焊工艺相结合,研究了球栅阵列（BGA）结构单界面Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu微焊点在钎料熔化温度附近等温时效形成局部熔化焊点时的界面反应及界面金属间化合物（IMC）的生长行为.结果表明,在钎料熔点217℃时效时,焊点中钎料基体仅发生界面局部熔化;而在稍高于熔点的218℃时效时,焊点钎料基体中全部共晶相和部分-Sn相发生熔化,且Cu基底层的消耗量显著增大,绝大部分Cu基底直接溶蚀进入钎料基体并导致界面IMC净生长厚度相对217℃时效时减小;等温时效温度升高至230℃时,焊点中钎料基体全部熔化,界面IMC厚度达到最大值.界面IMC的生长动力学研究结果表明,界面Cu₆Sn₅和Cu₃Sn层的生长分别受晶界扩散和体积扩散控制,但界面IMC层的晶界凹槽、晶粒粗化和溶蚀等因素对其生长行为也有明显影响.     

Cu基板退火处理的Cu/Sn58Bi/Cu钎焊接头界面微结构

研究了铜基板退火处理对Cu/Sn58Bi界面微结构的影响. 结果表明,在回流以及时效24 h后Cu/Sn58Bi/Cu界面只观察到Cu₆Sn₅. 随着时效时间的增加,在界面形成了Cu₆Sn₅和Cu₃Sn的双金属间化合物(IMC)层,并且IMC层厚度也随之增加. 长时间时效过程中,在未退火处理的铜基板界面产生了较多铋偏析,而在退火处理的铜基板界面较少产生铋偏析. 比较退火处理以及未退火处理的铜基板与钎料界面IMC层生长速率常数,发现铜基板退火处理能减缓IMC层生长,主要归因于对铜基板进行退火处理能够有效的消除铜基板的内应力与组织缺陷,从而减缓Cu原子的扩散,起到减缓IMC生长的作用.     

BGA焊点界面化合物纳米压痕力学行为

利用纳米压痕法对BGA焊点(Cu,Ni)₆Sn₅,Cu₆Sn₅,Cu₃Sn界面化合物(IMC)进行了压痕试验.基于Oliver-Pharr法确定了(Cu,Ni)₆Sn₅,Cu₆Sn₅,Cu₃Sn的弹性模量和压痕硬度,研究了加载速率对IMC纳米压痕力学行为的影响及其变化规律.结果表明,锯齿流变效应与加载速率的大小是相关的.在加载速率较小的情况下(Cu,Ni)₆Sn₅,Cu₆Sn₅,Cu₃Sn都具有锯齿流变效应,但程度不同;在加载速率较大的情况下(Cu,Ni)₆Sn₅,Cu₃Sn锯齿流变效应不明显,而Cu₆Sn₅的锯齿流变效应相对明显.(Cu,Ni)₆Sn₅,Cu₆Sn₅,Cu₃Sn界面IMC的弹性模量分别为126,118,135 GPa;压痕硬度分别为6.5,6.3,5.8 GPa;含镍的(Cu,Ni)₆Sn₅化合物弹性模量和压痕硬度均比Cu₆Sn₅的值要高.     

电迁移对Ni/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点界面反应的影响

研究了温度为150℃,电流密度为5.0×10³A/cm²的条件下电迁移对Ni/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点界面反应的影响.回流焊后在Sn3.0Ag0.5Cu/Ni和Sn3.0Ag0.5Cu/Cu的界面上均形成了（Cu,Ni）₆Sn₅型化合物.时效过程中界面化合物随时效时间增加而增厚,时效800 h后两端的化合物并没有发生转变,仍为（Cu,Ni）₆Sn₅型.电流方向对Cu基板的消耗起着决定作用.当电子从基板端流向芯片端时,电流导致基板端Cu焊盘发生局部快速溶解,并导致裂纹在Sn3.0Ag0.5Cu/（Cu,Ni）₆Sn₅界面产生,溶解到钎料中的Cu原子在钎料中沿着电子运动的方向向阳极扩散,并与钎料中的Sn原子发生反应生成大量的Cu₆Sn₅化合物颗粒.当电子从芯片端流向基板端时,芯片端Ni UBM层没有发生明显的溶解,在靠近阳极界面处的钎料中有少量的Cu₆Sn₅化合物颗粒生成,电迁移800 h后焊点仍保持完好.电迁移过程中无论电子的运动方向如何,均促进了阳极界面处（Cu,Ni）₆Sn₅的生长,阳极界面IMC厚度明显大于阴极界面IMC的厚度.与Ni相比,当Cu作为阴极时焊点更容易在电迁移作用下失效.     

快速热冲击下SAC305/Cu焊点氧化行为与金属间化合物生长动力学（英文）

通过电磁感应加热装置，研究SAC305/Cu焊点氧化行为和界面金属间化合物(IMC)生长动力学。结果表明，快速热冲击下焊点自身氧化行为是主要因素，内部的Cu₆Sn₅IMC会加剧焊点的氧化。Cu₆Sn₅层的生长由晶界扩散控制，Cu₃Sn层的生长则由体扩散控制。基底溶解的Cu原子主要扩散到界面IMC和焊料的内部。在快速热冲击下，焊点剪切强度大幅度降低，72 h后下降49.2%。断裂机制由韧性断裂向韧脆性混合断裂转变，最终转变为脆性断裂。     

Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Cu(Ni)焊点的抗时效性能

采用扫描电镜(SEM)研究在150 ℃等温时效下Cu/Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Cu与Ni/Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Ni焊点的界面扩散行为. 结果表明,在时效过程中,随着时效时间的增加,Cu/Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Cu焊点界面金属间化合物(intermetallic compound,IMC)形貌由开始的细针状生长为棒状,IMC层厚度增加,界面IMC主要成分为(Cu,Ni)₆Sn₅. Ni/Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Ni焊点的界面IMC形貌由细小突起状转变为较为密集颗粒状,且IMC层厚度增加,界面IMC主要成分为(Cu,Ni)₃Sn₄. 经过线性拟合,两种焊点的界面IMC层生长厚度与时效时间t1/2呈线性关系,Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Cu界面间IMC的生长速率为7.39 × 10?2 μm2/h,Sn5Sb1Cu0.1Ni0.1Ag/Ni界面间IMC的生长速率为2.06 × 10?2 μm2/h. 镀镍层的加入可以显著改变界面IMC的形貌,也可降低界面IMC的生长速率,抑制界面IMC的生长,显著提高抗时效性能.     

Ag含量对Sn-20Bi-0.7Cu焊料中金属间化合物形成与生长的影响

研究了Sn-20Bi-0.7Cu-xAg焊料凝固和时效过程中的物相生长动力学。通过实验和数值分析相结合分析了Ag含量和时效条件对界面结构和生长的影响,实验中对Sn-20Bi-0.7Cu分别添加了质量分数0.1%、0.4%、0.7%、1.0%、1.5%的Ag。为验证焊接接头的服役可靠性,在85℃和85%的湿度条件下,将接头放置0、10、30、50、100、200和500 h。采用扫描电镜等设备分析时效过程中界面化合物的形貌、厚度和分布,分析了β-Sn的形核界面和取向。结果表明,焊料中Ag含量的增加可以抑制界面Cu₆Sn₅层的生长,等温时效期间金属间化合物(Cu₆Sn₅+Cu₃Sn)的生长为扩散控制机制。焊接时形成的扇贝状表面在时效时消失,这表明在垂直于界面方向上的生长机制变为稳定性增长,说明Ag₃Sn有效降低了Cu₆Sn₅的生长动力。     

基于纳米压痕法分析无铅焊点内Cu6Sn5金属化合物的力学性能

采用纳米压痕技术对微电子封装中无铅焊点内界面化合物（IMC）Cu₆Sn₅的弹性模量和硬度进行了测试。根据实际工业工艺流程和服役工况,制备接近真实服役状态下的微电子封装中无铅焊点界面化合物试样;采用扫描电镜（SEM）和能量色散X射线荧光光谱仪（EDX）确定IMC的形貌和化学成分;利用连续刚度测量（CSM）技术,采用不同的加载速率对无铅焊点（Sn3.0Ag0.5Cu、Sn0.7Cu和Sn3.5Ag）内的界面化合物Cu₆Sn₅进行测量,得到载荷、硬度和弹性模量-位移曲线。根据纳米压痕结果确定Cu₆Sn₅的蠕变应力指数。     

回流时间对纯铜基板Sn0.3Ag0.7Cu钎料钎焊焊点组织和力学性能影响

以Sn0.3Ag0.7Cu为钎料,纯Cu板为基板,采用过渡液相扩散焊工艺制备Cu/Cu₃Sn/Cu₆Sn₅/Cu₃Sn/Cu多层结构全金属间化合物焊点,通过扫描电子显微镜和能谱仪分析了焊点的组织形貌和成分,测试了焊点的抗剪强度,研究了界面金属间化合物的生长机理。结果表明,由于温度梯度的影响,冷端Cu₆Sn₅生长速度大于热端。回流时间为5 h时,焊缝形成全金属间化合物,焊缝界面较为平整且无缺陷,抗剪强度由32.16 MPa降至21.29 MPa,降低了33.8%,断裂模式由塑性断裂最终演变为脆性断裂。     

Cu/Sn/Cu微焊点界面反应的微观组织

采用电子背散射衍射(EBSD)技术研究了Cu/Sn/Cu微焊点焊后态以及110℃×400h时效态的界面反应状况。结果表明,Cu/Sn/Cu微焊点界面反应后的组织由Cu_6Sn_5、Cu_3Sn与β-Sn构成。经110℃×400h时效后,β-Sn被大量消耗,Cu_6Sn_5由焊后态的扇贝状向多边形块状转变,Cu_3Sn仍保持长条状。另外,400h时效后,Cu_6Sn_5的(0001)面择优取向特点不变,且0001晶向平行于RD(轧向)方向。计算取向差角分析400h时效后生成的Cu_6Sn_5界面类型,发现取向差角分别约为53°、45°、36°,为大角度晶界。组织形貌与晶粒取向分析的结果表明,等温时效对焊点微观组织取向影响较小,但对组织的转变与生长影响极大。     

Sn3.0Ag0.5Cu/Cu回流焊点界面化合物尺寸分布特征及生长机制

在电子封装过程中,钎料与基体之间形成金属间化合物层,其主要成分为Cu₆Sn₅,Cu₆Sn₅晶粒的尺寸和形貌特征能够显著影响焊点的服役性能. 采用回流焊的方法制备了一系列Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点,使用Image-Pro Plus软件对焊接界面化合物Cu₆Sn₅晶粒的尺寸分布和化合物层的厚度进行了统计分析. 结果表明,Cu₆Sn₅的平均粒径正比于t0.38(t为回流时间), 界面化合物层的平均厚度正比于t0.32. 随着回流时间的增加,界面化合物生长速度变慢,Cu₆Sn₅晶粒的尺寸分布更加均匀. 回流时间较长的样品中Cu₆Sn₅的粒径尺寸分布与FRD模型的理论曲线基本相符,而对于回流时间短的样品,晶粒尺寸分布与FRD理论偏离较大. 统计结果显示,出现频次最高的晶粒尺寸小于平均值. 最后讨论了界面Cu₆Sn₅晶粒的生长机制,分析了回流时间对界面Cu₆Sn₅晶粒生长方式的影响.     

BGA焊点SAC305/ENEPIG/Cu界面反应演化及力学性能的尺寸效应

将直径为300、500和760μm的SAC305(Sn3.0Ag0.5Cu)焊球在ENEPIG/Cu焊盘上进行3次回流焊形成SAC305/ENEPIG/Cu焊点，并在185℃对焊点进行了时效(0～1000 h)处理，研究了焊球直径对回流及时效后微焊点界面金属间化合物(IMC)反应和演变的影响，分析了不同焊球直径的焊点在不同剪切速率下(0.2和20 mm/s)的剪切强度与断裂模式。结果表明：随焊球直径减小和时效时间延长，焊点界面金属间化合物(IMC)由单相(Cu, Ni)₆Sn₅向(Ni, Cu)₃Sn₄和(Cu, Ni)₆Sn₅两相演化，IMC生长速率随焊点尺寸的增大而减小，表现出明显尺寸效应；焊点剪切强度随剪切速率减小和时效时间增加而降低，且大尺寸焊点剪切强度的下降程度明显弱于小尺寸焊点，在高速(20 mm/s)剪切条件下，所有尺寸焊点时效300 h后断面均呈韧性断裂。     

等温时效对SnCuTi/Cu无铅焊点界面反应及力学性能的影响

研究了在125℃时效过程中,Sn-0.7Cu-0.008Ti/Cu焊点界面IMC的生长及抗剪强度的变化。结果表明,Sn-0.7Cu-0.008Ti/Cu焊点界面IMC厚度在时效过程中不断增加,并且与时效时间呈抛物线函数关系;界面IMC形貌由扇贝状转变为波浪状,相组成由单一的Cu6Sn5相转变为Cu6Sn5+Cu3Sn的分层组织。相同时效条件下,钎焊间隙对界面IMC的生长影响不大。焊点的抗剪强度随时效时间的增加而逐渐降低,但微量Ti的加入可明显改善焊点的力学性能。     

Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu界面金属间化合物生长行为

基于自制多场耦合装置,研究了Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu钎焊接头在多场耦合时效过程中界面金属间化合物(IMC)的显微组织变化和生长行为。结果表明,在相同的时效时间内,时效温度越高,界面IMC生长越快。当钎焊接头在85、125和150℃多场耦合时效时,IMC的形貌由扇贝状转变为较平整的层状。在多场耦合时效过程中,在Cu6Sn5层中发现了白色的Ag3Sn颗粒,而且普遍出现在Cu6Sn5凹陷处。界面IMC的生长厚度与时效时间的平方根成线性关系,其生长受扩散机制影响。多场耦合时效降低了界面IMC的激活能,整个IMC层的激活能为49 kJ/mol。     

焊接时间及焊接温度对Sn35Bi0.3Ag/Cu焊接接头性能的影响

分别在不同焊接时间和不同焊接温度下制备了Sn35Bi0.3Ag/Cu焊接接头,采用扫描电子显微镜(SEM)、万能拉伸试验机、超声波成像无损探伤检测仪等测试手段,研究了焊接时间(1～9 min)和焊接温度(210～290℃)对Sn35Bi0.3Ag/Cu焊接接头微观结构和力学性能的影响.结果表明,在焊接过程中,Cu元素扩散到焊接界面处,形成了(Cu₆Sn₅,Cu₃Sn)界面层,同时发现生成的Ag3Sn相能够抑制界面层的生长.随着焊接时间的延长或焊接温度的升高,反应层变厚,抗剪强度先增大后减小.对焊接接头断口形貌分析发现,焊接接头的断裂由Bi相颗粒及Cu₆Sn₅颗粒共同作用.焊接接头的断裂发生在IMC/焊料一侧,Bi相颗粒及Cu6Sn5颗粒共同影响着接头的抗剪强度.此外,当焊接时间为3 min、焊接温度为230℃时,接头的钎着率最大,为99.14%,抗剪强度达到最大值,为51.8 MPa.     

时效时间对Cu/In-Sn-2.5Ag/Cu焊点组织形貌及剪切性能的影响

研究了Cu/In-Sn-2.5Ag/Cu复合钎料焊点在125 ℃时效不同时间后的微观组织和剪切性能。结果表明:随着时效时间的延长,Cu/In-Sn-2.5Ag/Cu焊点界面金属间化合物(IMCs)层厚度呈现增加的趋势,焊点界面IMCs层组织先生成Cu₆(In, Sn)₅相,同时焊点中生成少量的Ag₉In₄相,随着时效时间的延长,钎料与Cu原子进一步反应生成Cu₃(In, Sn),部分Ag₉In₄转变为Ag₃In。当时效时间为168 h,形成全IMCs焊点。焊点剪切强度随时效时间延长呈现先增大后减小的趋势,时效时间为120 h时剪切强度最大,达到15.38 MPa。     

等温时效对小间隙Cu/Sn/Cu焊点组织及性能影响

研究了焊点高度为10μm的Cu/Sn/Cu微焊点接头在110℃下分别进行200、400、600、800h等温时效后界面CuSn金属间化合物的显微组织及剪切强度的演变。结果表明,随着时效时间延长,界面的金属间化合物由初始的扇贝状Cu-_6Sn_5组织逐渐演变为层状的Cu_3Sn和Cu_6Sn_5组织,并且界面金属间化合物在时效作用下不断消耗钎缝中的β-Sn向焊点中部生长,800h时效后焊点组织完全被Cu_3Sn和Cu_6Sn_5金属间化合物所取代;另外,随着时效时间的延长及界面金属间化合物的演变,焊点的剪切强度不断提高,其中当时效时间达到400h时,两端界面金属间化合物发生部分接合,剪切强度增幅较大;800h时效后试样的剪切强度为最大值。断口形貌分析表明,随着时效时间延长,焊点的断裂机制由韧性剪切断裂演变为脆性剪切断裂。     

微小互连Cu-Sn界面钎焊及接头剪切行为

针对Cu-Sn-Cu三明治结构,进行0.06 MPa恒压钎焊. 基于Cu-Sn二元相图,选定了不同的钎焊温度与钎焊时间. 钎焊完成后,根据不同相组成可将接头分为残余锡,Cu₃Sn-Cu₆Sn₅-Cu₃Sn,Cu-Cu₃Sn-Cu三类. 为研究三种不同相组成接头抗剪强度之间的关系,进行1 mm/min加载速率的剪切试验,并对断口进行形貌分析. 结果表明,随着Sn与Cu₆Sn₅相继耗尽,接头抗剪强度不断升高. 残余锡接头,Cu₃Sn-Cu₆Sn₅-Cu₃Sn接头,Cu-Cu₃Sn-Cu接头抗剪强度分别为23.26,33.59,51.83 MPa. 分析断口形貌发现,在残余Sn接头断口中,可以分辨出Sn,Cu₆Sn₅,Cu₃Sn形貌,说明其断裂路径穿过了Cu₆Sn₅与Cu₃Sn两相. 在Cu₃Sn-Cu₆Sn₅-Cu₃Sn接头断口中,可分辨出Cu₆Sn₅,Cu₃Sn形貌,其断裂路径穿过了Cu₃Sn相. 全Cu₃Sn相接头断口中仅可分辨出Cu₃Sn相断裂形貌.