微焊点界面的柯肯达尔孔洞生长及其抑制研究

论文摘要

随着微电子工业的不断进步,消费类电子产品向小尺寸、高性能方向迅猛发展,从而对焊点可靠性提出了更高的要求。焊接和服役过程中的界面固态扩散反应会对焊点的微观组织产生重要影响,进而决定了焊点可靠性。柯肯达尔（Kirkendall）孔洞是电子器件在较高的单位体积散热量的情况下由于Cu-Sn热扩散差异产生的潜在的可靠性风险形式之一。金属间化合物（Intermetallic Compound,IMC）内部产生的Kirkendall孔洞会降低焊点的机械性能,将危害焊点的电气连接性能。本文研究了影响焊点IMC中Kirkendall孔洞生长的各种因素和Kirkendall孔洞对焊点可靠性的影响。试验中采用Sn3.0Ag0.5Cu、Sn、Sn3.5Ag和Sn37Pb四种不同类型的焊料连接不同的Cu和Ni块体,制备不同互连结构的焊点。主要研究内容包括:研究了时效老化（老化温度和老化时间）对Kirkendall孔洞形成的影响,发现Kirkendall孔洞一般出现在Cu3Sn内部靠近Cu基板的区域;焊点中Kirkendall孔洞的密度随着老化温度和时间的增大而增多。通过对实验数据进行方程曲线拟合得到Kirkendall孔洞占焊点界面比值的经验公式,根据这个该公式可以判断在一定温度下得到确定孔洞面积比率所需的时间,预测元件的寿命。研究了基板材料、材质和焊料合金对Kirkendall孔洞的形成的影响。基板材料、材质包括Cu的材质（电镀Cu、多晶Cu和单晶Cu）和Ni的材质（纯Ni、电镀Ni和化学镀Ni）。研究发现对于无铅焊料Sn3.0Ag0.5Cu、Sn和Sn37Pb焊料,老化后的电镀Cu基板和多晶Cu基板焊点中的Cu3Sn金属间化合物中都产生了Kirkendall孔洞,而相同老化条件下,单晶Cu基板焊点中未发现Kirkendall孔洞。这是因为Cu层的微观结构会影响Cu3Sn层的晶粒结构,而Cu3Sn层的晶粒结构决定了Cu和Sn在其内部的互扩散速率的差异,这种差异便是Kirkendall孔洞的形成机制。最后的研究表明Cu层的晶粒越大,晶界越少,Cu3Sn中形成的Kirkendall孔洞就会越少。对于SnAgCu焊料来说,老化后的焊点界面IMC中Ni-Sn-P层的出现造成了少量Kirkendall孔洞的形成,但是孔洞情况没有电镀Cu焊盘严重。而一般纯Ni和电镀Ni焊盘不会产生Kirkendall孔洞。因此,Ni-Sn-P层是形成Kirkendall孔洞的关键,Ni-Sn-P层向外扩散出的Sn远多于向内扩散进入的Sn通量,导致了Kirkendall孔洞的形成。Cu/SAC305/Cu互连结构焊点中,随着老化时间的延长,IMC（Cu6Sn5和Cu3Sn）不断的长大,并且随着Cu3Sn中的Kirkendall孔洞密度不断的增长,焊点的抗拉强度不断降低。焊点界面中IMC内部的Kirkendall孔洞的存在将降低金属间化合物的强度,并且孔洞数量越多,焊点的抗拉强度降低得越大。焊点断裂模式会随着老化发生转变:由于焊料弱化了界面,回流或者短时间时效后的焊点破坏大多发生在界面靠近焊料一侧;随着时效时间增加,焊点断裂发生在焊料内的比例减少,进而转变成混合破裂模式,最后变成界面层破坏。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪 论
• 1.1 研究意义及背景
• 1.2 国内外发展及现状
• 1.3 研究目的
• 1.4 研究内容
• 2 试验过程及研究方法
• 2.1 研究工艺路线
• 2.2 微焊点的制备方法
• 2.3 实验方案
• 2.4 研究方法
• 3 时效老化对Kirkendall 孔洞形成的影响
• 3.1 引言
• 3.2 时效老化时IMC 的生长和Cu-Sn 的扩散
• 3.3 回流过程中SnAgCu 焊料与电镀Cu 反应过程分析
• 3.4 研究时效老化对Kirkendall 孔洞形成的影响
• 3.5 本章小结
• 4 UBM 材料和材质对Kirkendall 孔洞的形成的影响
• 4.1 Cu 层的材质对Kirkendall 孔洞的影响
• 4.2 Ni 镀层与焊料之间的Kirkendall 孔洞
• 4.3 本章小结
• 5 Kirkendall 孔洞对微焊点拉伸性能的影响
• 5.1 时效老化对Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu 焊点界面Kirkendall 孔洞的影响
• 5.2 老化对Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu 焊点的拉伸性能的影响
• 5.3 本章小结
• 6、全文总结及展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间发表的论文目录