錫膏介紹_ 焊料層厚度對(duì)Cu3Sn相的影響
錫膏介紹: 焊料層厚度對(duì)Cu3Sn相的影響
微電子封裝技術(shù)隨著工藝的演進(jìn)和使用需求的提高，衍生出了3D封裝和晶圓級(jí)封裝等先進(jìn)集成技術(shù)。Cu-Cu互連和Cu-Sn-Cu互連是封裝中最為常見的形式。無(wú)鉛錫膏作為焊接材料，能夠與銅發(fā)生冶金反應(yīng)，從而起到連接銅凸點(diǎn)和銅焊盤的作用。但是金屬間化合物(IMC)生長(zhǎng)在無(wú)鉛錫膏焊接體系中難以避免。IMC生長(zhǎng)會(huì)對(duì)小型化封裝的機(jī)械性能和熱電性能造成影響。為了優(yōu)化焊后IMC厚度，有大量研究者分析了焊料層厚度對(duì)劣性Cu3Sn相的影響。
圖1. Cu-Sn-Cu互連結(jié)構(gòu)圖。
在焊接過(guò)程中，熔融狀態(tài)的無(wú)鉛錫膏會(huì)與Cu反應(yīng)，使得Cu6Sn5在Cu–Sn界面成核。Cu原子持續(xù)溶解，直到界面處錫膏變得過(guò)飽和，Cu6Sn5微晶可以成核并快速生長(zhǎng)。Sn和Cu的擴(kuò)散是造成Cu6Sn5形成的主要原因。Cu3Sn的出現(xiàn)更多是在老化過(guò)程中發(fā)生的。
Cu3Sn相的生長(zhǎng)機(jī)制
相比于剛完成回流焊接，熱老化會(huì)大大增加IMC的總厚度。在老化過(guò)程中，Sn會(huì)持續(xù)擴(kuò)散為IMC生長(zhǎng)提供驅(qū)動(dòng)力。因此，在老化過(guò)程中，總厚度不斷增加。但是Sn層最終會(huì)耗盡。在Sn耗盡后，Cu6Sn5會(huì)逐漸被消耗并形成Cu3Sn，致使Cu6Sn5厚度下降。
焊料層厚度對(duì)Cu3Sn的影響
在常規(guī)焊接工藝中，焊料層的厚度大概在20μm左右。當(dāng)焊料層的厚度較大時(shí)，可流動(dòng)的Sn量更多，Cu6Sn5的生長(zhǎng)速度很快，而Cu3Sn相的出現(xiàn)受到了抑制。并且需要更長(zhǎng)的老化時(shí)間較長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)Sn的完全消耗，然后Cu3Sn才開始慢慢長(zhǎng)大。Li和Chan嘗試將無(wú)鉛錫膏焊料層的厚度縮小為亞微米級(jí)別, 從而驗(yàn)證焊料層厚度對(duì)IMC生長(zhǎng)的影響。
圖2. 焊料層厚度為1μm時(shí)IMC層的生長(zhǎng)情況。(a)剛回流完成; (b)老化100h; (c)EDX結(jié)果; (d)IMC變化趨勢(shì)。
圖3. 焊料層厚度為500nm時(shí)IMC層的生長(zhǎng)情況。(a)剛回流完成; (b)老化100h; (c)老化500h; (d)IMC變化趨勢(shì)。
由圖2可以看到，焊料層明顯出現(xiàn)分層現(xiàn)象，也就是出現(xiàn)Cu6Sn5和Cu3Sn層。在老化后Sn層繼續(xù)為IMC層提供Sn原子，并促進(jìn)IMC的生長(zhǎng)。對(duì)比圖3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊料層厚度為500nm時(shí)也能觀察到Cu6Sn5和Cu3Sn層，但是數(shù)量較少，分界不明顯。由于Sn量太少，在回流期間就基本被耗盡。Cu3Sn的成核和生長(zhǎng)是通過(guò)消耗Cu6Sn5Sn來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此外，顯然可以發(fā)現(xiàn)焊料層薄會(huì)造成IMC數(shù)量更少，且Cu6Sn5厚度不足，轉(zhuǎn)化為Cu3Sn的速度也變慢。
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參考文獻(xiàn)
Li, Q. & Chan, T.C. (2013). “Growth kinetics of the Cu3Sn phase and void formation of sub-micrometre solder layers in Sn–Cu binary and Cu–Sn–Cu sandwich structures”. Journal of Alloys and Compounds, vol.567, pp.47-53.
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