SnAgCu焊点界面金属间化合物的研究现状

SnAgCu系合金钎料是目前最有可能替代SnPb钎料的无铅钎料之一.其在回流焊过程中产生的界面金属间化合物是影响电子产品可靠性的重要因素.综述了SnAgCu钎料在Cu,Ni/Cu,Au/Ni/Cu衬底上回流焊后界面金属间化合物(IMC)的类型和产生过程,并对时效、热冲击、热循环过程中界面金属间化合物的形貌演变以及生长规...     

铜含量对Sn-Cu钎料与Cu、Ni基板钎焊界面IMC的影响

研究了不同铜含量的Sn-xCu钎料(x=0,0.1%,0.3%,0.7%,0.9%,1.5%)与Cu板和Ni板在260、280和290℃钎焊后界面金属间化合物(IMC)的成分和形貌。研究结果表明:钎料与Cu板钎焊时,钎焊温度越高,界面处形成的Cu6Sn5IMC厚度越大,而在同一钎焊温度下,随着钎料中铜含量的增加,IMC的厚度先减少后增加;与Ni板钎焊时,界面IMC的厚度随着铜含量的增加而增加,同时界面化合物的成分和形貌均发生了显著变化;当Cu含量小于0.3%(质量分数)时,界面处形成了连续的(CuxNi1-x)3Sn4层;而当Cu含量为0.7%时,界面处同时存在着短棒状(CuxNi1-x)3Sn4和大块状(CuxNi1-x)6Sn5IMC;当铜含量继续增大时(0.9%~1.5%),(CuxNi1-x)3Sn4IMC消失,只发现了棒状(CuxNi1-x)6Sn5IMC。讨论了钎料中Cu含量对与Cu、Ni基板钎焊接头界面化合物生长的影响,并进一步讨论了(CuxNi1-x)6Sn5IMC的形成和长大机理。     

Ge对SnAgCu/Cu钎焊界面结构的影响

化学元素周期表中Ge与Sn相邻,同为第Ⅳ主族元素,物理与化学性能近似.在无铅钎料Sn2.5Ag0.7Cu中添加少量Ge元素(质量分数分别为0.25%,0.5%,0.75%,1.0%),制作了钎焊界面.用扫描电子显微镜(SEM)对界面显微组织与形貌做了观察分析,用Auto CAD软件测量了金属间化合物(IMC)厚度,用能谱仪(EDX)分析了界面成分.结果表明,加入Ge元素后界面IMC的形貌仍为贝壳状,但该组织显示出长大趋势;经150℃/100 h老化后,界面变得更加平缓、整齐.钎料含Ge时,未老化界面IMC层厚度更大,经150 ℃/100 h老化后,IMC层增厚率要小.Ge元素的加入抑制老化过程中界面金属间化合物Cu6Sn5向Cu3Sn的转变和其自身的长大.     

SAC305/Cu微焊点界面金属间化合物生长速率

界面金属间化合物(IMC)的生长速率是影响钎焊接头可靠性的重要因素. 文中研究了焊点尺寸、时效温度及镍镀层对SAC305/Cu微焊点界面IMC生长速率的影响. 结果表明,焊球尺寸为200,300,400和500 μm,时效温度为100,130,160 ℃条件下,界面IMC层厚度生长速率随时效时间平方根数值的升高而增长. 焊点尺寸由小变大,界面IMC层厚度更薄,IMC的生长速率也更小. 随着时效温度的升高,界面IMC生长速率增大. 镍镀层对界面IMC的生长速率有明显的抑制作用,即降低IMC生长速率,使其增厚变缓.     

键合界面金属间化合物对可靠性影响的研究现状

在微电子封装过程中,键合丝被广泛应用,而键合可靠性对于产品的应用性能有着极大的影响,受到人们的广泛关注。键合丝与常用的铝焊盘之间是异质材料,在应用和服役的过程中会在界面上产生金属间化合物(IMC),对器件可靠性产生影响,同时,键合强度也与键合丝和焊盘之间的界面反应联系密切,因此了解键合丝与铝焊盘之间金属间化合物的形成与演变对键合可靠性的影响是有必要的。本文综述了Au/Al、Ag/Al和Cu/Al三种键合界面上金属间化合物的形成与演变的研究现状,并根据目前的应用状况,展望了未来的应用发展前景。     

Bi对Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi/Ni焊点IMC的影响

无铅钎料和基板间金属间化合物(1MC)的生长对元器件的可靠性有重要影响.使用Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi无铅钎料与Ni盘进行焊接,并对焊点进行了180℃时效试验,时效时间分别为O、24、96、216和384h.采用金相显微镜、扫描电镜和能谱仪观察分析了钎料与Ni界面IMC的生长及形貌变化,并对其焊点IMC层Ni的分布进行了分析,同时对其界面生长速率进行了拟合.结果表明:Sn-0.3Ag-0.7Cu焊料与Ni焊盘之间的IMC是棒状的(CuxNi1-x)6Sn5,Bi的加入并没有起到很好的抑制作用,而是随着Bi含量的增加IMC先增加后减少.Sn-O.3Ag-0.7Cu/Ni焊点IMC中Ni的平均含量(wN)分为15%、5%两区域.由近Ni向钎料基体方向呈下降趋势.但是Sn-O.3Ag-0.7Cu-3.0Bi/Ni焊点IMC中Ni的平均含量在7%左右.时效后IMC层的厚度会随着老化时间的延长而增加,但是Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi/Ni焊点由于Bi的析出IMC增长得缓慢;Sn-0.3Ag-0.7Cu/Ni焊点(CuxNi1-x)6Sn5中15%Ni的含量区域逐渐过渡到5%区域,但是Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi/Ni焊点IMC中Ni的平均含量维持9%较时效前有所增加.通过生长速率计算,Sn-O.3Ag-0.7Cu-xBi/Ni焊点IMC的生长速率随着Bi含量的增加而减少.     

Bi对SnXCuNi焊料性能和焊点界面层组织的影响

为了获得低成本和性能良好的无铅焊料,本文在Sn-4.1X-1.5Cu-Ni焊料中添加质量分数为0.6％的Bi元素,对其微观组织及物相成分、熔点、润湿性和剪切强度进行了分析研究,并对焊点等温时效后其界面组织进行了SEM和EDS分析.结果表明,Sn-4.1 X- 1.5Cu-Ni-0.6Bi焊料中主要由β-Sn、Cu6Sn5、XSn和SnBi组成,Bi的加入能有效地降低焊料的熔点和提高焊料的润湿性,焊点也保持较高的剪切强度.随着等温时效时间的延长,Sn-4.1X-1.5Cu-Ni/Cu和Sn-4.1X- 1.5Cu-Ni-0.6Bi/Cu界面金属间化合物(IMC)层厚度也增加,其界面IMC的增厚主要由扩散机制控制,界面IMC主要成份为Cu6Sn5、Cu3Sn和(Cu,Ni)6Sn5.Bi能抑制等温时效过程中界面IMC的形成和生长,从而提高了焊点的可靠性,其中Sn-4.1 X- 1.5 Cu-Ni/Cu的IMC生长速率为2.95×10-17m2/s,Sn-4.1X-1.5Cu-Ni-0.6Bi/Cu的IMC生长速率为2.78× 10-17m2/s.     

1.0%Zn,Ni对Sn-3.5Ag/Cu界面反应及化合物生长的影响

在微电子互连结构中,反应界面化合物层的形貌及厚度是决定焊点可靠性的一个重要因素.通过向Sn-3.5Ag共晶钎料中添加第三元素,分别研究元素Zn和Nj对Sn-3.5Ag/Cu界面反应的影响.结果表明,对于Sn-3.5Ag/Cu界面,液态反应初始生成物为Cu6Sn5,在随后的热老化阶段形成Cu3Sn化合物层;Zn元素不影响界面的初始生成相及其厚度,但在150℃老化阶段,Cu3Sn化合物的形成受到抑制,取代的是非连续的Cu5Zn化合物层,并且,化合物层增厚速度减慢;然而,当添加1.0%(质量分数)的Ni元素后,界面初始生成相为(Cu,Ni)6Sn5,该化合物层厚度明显大于前者,老化阶段界面无其它相生成.     

钎焊和时效处理时Sn-Ag钎料金属间化合物生长问题研究

研究Cu基体和Sn-3.5Ag无铅钎料在钎焊和时效处理时金属间化合物的生长问题。结果表明,时效温度为70、125和170℃时,钎焊后会出现层状的扇贝形金属间化合物,其厚度与时效处理时间的平方根呈线性关系。金属间化合物层的生长激活能为75.15 k J/mol,Cu6Sn5层的生长激活能为58.58 k J/mol。     

合金元素锡和磷对低银钎料钎焊性能的影响

针对Sn和P对低银钎料的钎焊性能的影响进行了研究,发现Sn和P的添加使低银钎料的熔点降低,Sn的添加同时使低银钎料的钎焊性能变好。     

等温时效中稀土Er对Sn-3.8Ag-0.7Cu无铅钎料显微组织演化的影响

系统研究了等温时效中添加微量稀土Er对Sn-3.8Ag-0.7Cu钎料合金显微组织演化规律的影响.结果表明,Er对Sn-3.8Ag-0.7Cu钎料显微组织及等温时效过程中显微组织的演化产生了重要影响.在钎焊过程中,Er有效地细化了钎料组织,改变了钎料内部Cu-Sn金属间化合物的形态、尺寸及分布情况.在等温时效过程中,钎料内部生成的ErSn3金属间化合物为组织的再结晶过程提供了大量的形核质点,有效避免了再结晶组织的粗化及裂纹的产生和扩展.     

加载速率对SnAgCu钎焊接头抗剪强度的影响

研究了加载速率对SnAgCu(SAC)无铅钎料钎焊接头抗剪强度和断裂模式的影响,试验钎料的Ag元素含量为1%～3%(质量分数),微拉剪接头的加载速率为0.01～10mm/s.结果表明,当加载速率小于1mm/s时,抗剪强度随加载速率的增大而增大,断裂模式为发生在接头钎料内部的延性断裂.当加载速率增大到10mm/s时,其抗剪强度反而减小,断裂模式为发生在界面金属间化合物层的脆性断裂.另外,在加载速率较低时,抗剪强度随Ag元素含量的增加而增加;但在较高加载速率下,Ag元素含量为2%的钎料接头抗剪强度最低.     

Ni元素对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu无铅微焊点界面IMC和力学性能的影响

以Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE无铅钎料为研究对象,借助扫描电镜和X衍射等检测方法研究了Ni元素对Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu无铅微焊点界面IMC和力学性能的影响.结果表明,添加适量Ni元素能显著细化Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE钎料合金初生β-Sn相和共晶组织,抑制焊点界面区(Cu,Ni)6Sn5金属间化合物的生长和表面粗糙度的增加,提高无铅焊点抗剪强度.当Ni元素添加量为0.1%时,钎料合金组织细小均匀,共晶组织所占比例较多;焊点界面IMC薄而平整,(Cu,Ni)6Sn5颗粒尺寸小,对应焊点抗剪强度最高为45.6 MPa,较未添加Ni元素焊点提高15.2%.     

钎料熔滴与焊盘界面反应及再重熔时的界面组织演变

采用熔滴直接凸点制作方法,对共晶SnPb及SnAgCu钎料熔滴与Au/Ni/Cu焊盘所形成的凸点/焊盘界面组织进行了研究,并与激光重熔条件下获得的凸点/焊盘界面组织进行了比较,考察了凸点/焊盘界面组织在随后的再重熔过程中的演变.结果表明:钎料熔滴与焊盘在接触过程中形成了Au-Sn化合物,Au层并未完全反应.在随后的再重熔过程中,Au层被完全消耗,全部溶入钎料基体中,Ni层与钎料发生反应.无铅钎料(SnAgCu)和SnPb钎料所形成的界面组织明显不同;再重熔后SnPb钎料/焊盘的界面组织为Ni3Sn1,SnAgCu钎料/焊盘界面组织为(CuxNi1-x)6Sn5.     

The effect of non-reactive alloying elements on the growth kinetics of the intermetallic compound between liquid Sn-based eutectic solders and Ni substrates

The effect of non-reactive alloying elements on the growth kinetics of the intermetallic compound formed between liquid Sn-based eutectic solders and Ni substrates at 250–280 °C was studied, with Ag, Pb and Bi as the alloying elements. Experimental results showed that only the intermetallic compound (IMC) Ni₃Sn₄ was present as the reaction product. Based on the diffusion controlled reaction mechanism, a parabolic kinetic equation in which both Sn concentration and alloying element effects were quantified, was derived and verified by comparing the kinetic data obtained by using four different solders with different Sn concentrations and alloying elements. The apparent activation energies for pure Sn and eutectic Sn–Ag, Sn–Pb and Bi–Sn solders reacting with Ni, the substrate, are in the range of 28.7–32.7 kJ mol⁻¹, which indicates slight variations in activation energy. The similarity between the activation energies of these four solders suggests that the diffusion of Sn atoms through the IMC is the rate controlling step. The effect of non-reactive alloying elements exerted on the pre-exponential factor of the equilibrium constant which multiplied by the bulk concentration of Sn in solder gives the surface concentration of Sn in Ni₃Sn₄.     

Ge对SnAgCu/Cu钎焊接头抗剪强度与断口的影响

在化学元素周期表中Ge元素与Sn元素相邻,同为第Ⅳ主族元素,物理与化学性能有许多近似。文中在无铅钎料Sn2．5Ag0．7Cu中添加少量Ge元素（0．25,0．5,0．75,1．0,质量分数,％）,设计、焊接了剪切试样,测试了接头抗剪强度,并且对断口做了扫描电镜和能谱分析。结果表明,添加少量Ge元素以后,接头的抗剪强度有显著提高;接头的断裂形式主要是韧性断裂,并且大都有二次裂纹;添加Ge元素后在剪切断口表面形成很多韧窝;金属间化合物Cu6Sn5对韧窝的形成有一定的作用。     

钎焊时间对Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu钎焊接头界面化合物的影响

研究了不同钎焊时间下Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu焊点界面金属间化合物生长变化规律和剪切强度变化。结果表明:随着钎焊时间增加,界面化合物平均厚度逐渐增加,且生长的时间指数为0.4。钎焊60s内界面化合物的生长速率较大;随着钎焊时间的增加,钎焊接头的抗剪切强度先增加后降低,这与界面处脆硬相Cu6Sn5生长行为密切相关。