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1、华中科技大学 博士学位论文 微小互连高度下焊点界面反应及力学性能研究 姓名：王波 申请学位级别：博士 专业：材料加工工程 指导教师：吴懿平；吴丰顺 2010 I 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 摘 要 电子封装微互连正向高密度化方向快速发展，微焊点的尺寸及互连高度在不断 降低。本文研究了微小互连高度下(小于 100m)焊点的界面反应及可靠性。微焊点 互连高度的降低加强了焊点两侧界面反应的交互作用，使焊点界面微观组织变得更 加复杂，对焊点的性能有很大的影响，给电子产品的可靠性带来巨大的挑战。 本文采用 Sn、Sn37Pb 和 Sn9Zn 三种不同类型的互连材料连接 Cu 和 Ni
2、 块体， 获得互连高度分别为 100m、50m、20m 和 10m 三明治结构的焊点，通过对这 些焊点的研究揭示微焊点随着互连高度的降低而产生的微观组织及力学性能变化。 主要研究成果如下： 研究了回流过程中 Cu/Sn/Cu 焊点互连高度对焊料层微观组织、界面金属间化 合物(IMC)厚度和比例以及焊点力学性能的影响。随着互连高度降低，焊点两侧的 IMC 厚度逐渐降低，但是 IMC 在焊点中的体积比例升高，形成焊点所消耗的 Cu 层 厚度降低，但焊料层中 Cu 的平均浓度却升高。在 0.1mm/min 的拉伸速率条件下， 焊点互连高度越低，其焊料层的应变速率越高，焊点抗拉强度升高。而且，当焊点
3、互连高度降低至 10m 后，焊料层在高度方向上将从多晶粒转变为单晶粒，焊点的 拉伸断裂模式为 Cu6Sn5/Cu 界面分层断裂和 Cu6Sn5晶粒的解理断裂， 这与其他三种 高度焊点的断裂发生在焊料层中并呈韧性断裂不同。 研究了 Cu/Sn/Cu 焊点在 150等温时效过程中的组织结构与性能的变化规律。 在互连界面扩散结构(Cu/Cu3Sn/Cu6Sn5/Sn)中 Cu 与 Sn 的扩散方向相反，扩散通量 不同， 并随时效过程中 Cu3Sn 和 Cu6Sn5的生长而变化， 由此建立了在 Cu3Sn/Cu6Sn5 界面处 Cu6Sn5与 Cu3Sn 两相生长理论模型。基于此生长理论模型，在反应初
4、期， Cu3Sn 快速生长，并消耗 Cu6Sn5层，此时，Cu6Sn5厚度降低，Cu3Sn 厚度升高，IMC 层总厚度升高。并且初始 Cu6Sn5层的厚度越薄，则 IMC 层增厚速度越快。随着时 效时间的延长， Cu3Sn 的生长速度降低， Cu6Sn5层的消耗也逐步减少， Cu3Sn/Cu6Sn5 界面处 IMC 的生长依靠扩散至两相界面的 Cu 和 Sn 原子，最终各焊点的 IMC 层总 厚度会趋于相同。时效期间在高度方向上具有多晶粒的焊料层组织粗化降低了焊点 的抗拉强度，断裂发生在焊料层中；互连高度为 10m 的时效焊点拉伸断裂发生在 Cu3Sn/Cu6Sn5界面，这与时效处理之前的断裂
5、模式不同。 研究了回流与时效过程中 Cu/Sn/Ni 焊点界面反应交互作用对微焊点的组织、 结 构与性能的影响规律。回流过程中，由于发生了焊点两侧界面反应的交互作用，在 II 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 Ni 侧形成不致密连接的 Ni-Cu-Sn 薄层与(Cu,Ni)6Sn5沉积层的双层结构，所有不同 互连高度焊点的拉伸断裂都发生在 Ni 侧 IMC 层中。时效过程中靠近 Ni 表面的薄 层 Ni-Cu-Sn 会转变为(Ni,Cu)3Sn4，它与(Cu,Ni)6Sn5的结合强度较弱，因此，时效焊 点的拉伸断裂大多发生在(Ni,Cu)3Sn4/(Cu,Ni)6Sn5界面。 对
6、比研究了经回流工艺得到的互连高度均为 100m，同质基材互连焊点和异质 基材互连焊点在微观组织和力学性能上的变化。 在 Cu/Sn/Cu、 Ni/Sn/Ni 和 Cu/Sn/Ni 三种焊点， 发现 Ni/Sn/Ni 焊点抗拉强度最大， Cu/Sn/Ni 焊点抗拉强度次之， Cu/Sn/Cu 焊点抗拉强度最低；Cu/Sn/Cu 和 Ni/Sn/Ni 焊点的拉伸断裂发生在焊料层内部，而 Cu/Sn/Ni 焊点的拉伸断裂发生在 Ni 侧 IMC 层中，这是因为 Cu/Sn/Cu 和 Ni/Sn/Ni 焊点两侧的 IMC 层生长致密，而 Cu/Sn/Ni 焊点 Ni 侧 IMC 为连接不致密的双层结
7、构。 研究了回流和时效过程中互连高度对 Cu/Sn-37Pb/Cu 焊点对焊料层微观组织、 界面金属间化合物(IMC)厚度和比例以及焊点力学性能的影响。在回流过程中，互 连高度越低，两侧的 IMC 厚度越薄，而焊料层中的 Pb 浓度越高；在接下来的时效 过程中，互连高度越低，IMC 层增厚速度越快，焊料层中 Pb 浓度升高越迅速。焊 点的抗拉强度随着焊料层应变速率的增大而升高，随着 Pb 浓度的增大而降低。采 用 0.1mm/min 的拉伸速率对焊点进行拉伸试验，当互连高度从 100m 降低至 20m 时，焊点抗拉强度升高，焊料层应变速率为主要影响因素；对于互连高度为 10m 焊点，由于 15
8、0时效 500h 前后焊料层中 Pb 的浓度可从 50wt.%升高至 90wt.%左 右，焊点抗拉强度为最低。所有高度焊点的拉伸断裂都发生在焊料层中，并呈韧性 断裂模式。 研究了回流与时效过程中互连高度对 Cu/Sn-9Zn/Cu 焊点中焊料层成分、IMC 生长及结构的影响。回流过程中，随着焊点互连高度的降低，焊料层中 Cu 浓度升 高，而 Zn 浓度降低，焊料层中形成的游离态 Cu5Zn8颗粒密度升高，这使互连高度 越低的焊点抗拉强度越低，在 0.1mm/min 的拉伸速率下，焊点的拉伸断裂发生在焊 料层内。时效过程中，随着互连高度的降低，焊点中焊料层内部形成的 Cu6(Sn,Zn)5 越早
9、。 关键词关键词：微互连 互连高度 界面反应 力学性能 焊点可靠性 III 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 Abstract The rapid development of the high-density solder interconnection in the electronic packaging industry brings about the continiuous decrease in the size and stand-off height (SOH) of solder joints. Therefore, the present paper foc
10、uses on the interfacial reactions and reliability of solder joints influenced by the SOH lower than100m. The interfacial reactions in the solder joints with same or different base materials at the two sides become more complicated with the decreasing SOH, which significantly influences the microstru
11、cture and mechanical property. And it is a big challenge for the reliability of electronic products. In the present paper, three different kinds of solder alloys, Sn, Sn37Pb and Sn9Zn, were used to join Cu bulk and Ni bulk for obtaining the sandwich-structure solder joints with SOH of 100m, 50m, 20m
12、 and 10m. These researches revealed the influence of SOH on the microstructure and the mechanical property of solder joints. The research results are listed as follows: The study on the as-reflowed Cu/Sn/Cu revealed the influence of SOH on the solder bulk microstructure, IMC thickness, IMC proportio
13、n and the mechanical property of solder joints. With the reducing SOH, the IMC thickness decreases, while the volume ratio of IMC increases. And also, the consumed Cu thickness decreases, while, the Cu concentration increases in the solder bulk with the reducing SOH. Tensile tests with a constant cr
14、osshead speed of 0.1mm/min were carried out to assess the mechanical property. It was found that the strain ratio of solder bulk increases with the reducing SOH, which improves the ultimate tensile stress (UTS) of solder bulk. When the SOH is reduced to be 10m, the solder bulk consists of one Sn gra
15、in in height. The tensile fracture occurs in the IMC layer with the delamination of Cu6Sn5/Cu interface and the cleavage of Cu6Sn5 grain. And this is different from the fracture modes of solder joints with the other three SOHs, which all fractures in the solder bulk in a plastic mode. The study on t
16、he Cu/Sn/Cu solder joints aged at 150 revealed the changes of microstructure and mechanical property. In the Cu/Cu3Sn/Cu6Sn5/Sn diffusion couple at the one side of solder joint, Cu and Sn diffuse in opposite direction, while, the their diffusion fluxes change with the growth of Cu3Sn and Cu6Sn5 during the thermal aging IV 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 process. Based on the ratio of Cu to Sn diffusion fluxes at the Cu3Sn/Cu6Sn5 interface, the growth model of Cu6Sn5 layer and Cu3Sn
