Cu_Sn_Ni焊点界面金属间化合物的生长及演变_游飞翔.pdf
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1、河南科技Henan Science and Technology化工与材料工程总第806期第12期2023年6月Cu/Sn/Ni焊点界面金属间化合物的生长及演变游飞翔1李五岳1李国俊2田野1(1.河南工业大学,河南郑州450001;2.河南中光学集团有限公司,河南南阳473004)摘要:【目的目的】研究Cu/Sn/Ni焊点在265 下键合过程中界面金属间化合物的生长趋势及形貌演变。【方法方法】使用扫描电镜对焊点进行观察和分析。【结果结果】随着键合时间的增加,界面金属间化合物总厚度不断增加。在Cu-Ni的交互作用下,界面金属间化合物在Cu/Sn和Ni/Sn两侧表现出不同的界面形貌演变和生长速度。
2、在等温回流的四个时间节点中,Cu/Sn侧的金属间化合物生长速率呈先快后慢的趋势,而Ni/Sn侧则为先慢后快。此外,在Cu/Sn/Ni焊点等温回流的四个时间节点中,Cu/Sn侧和Ni/Sn侧金属间化合物的微观形貌存在明显差异。【结论结论】本研究为深入理解焊点界面金属间化合物的生长规律提供了有价值的参考。关键词:Cu/Sn/Ni焊点;金属间化合物;界面反应中图分类号:TG454文献标志码:A文章编号:1003-5168(2023)12-0085-04DOI:10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.12.016Growth and Evolution of Intermeta
3、llic Compounds at the Interface ofCu/Sn/Ni Solder JointsYOU Feixiang1LI Wuyue1LI Guojun2TIAN Ye1(1.Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China;2.Henan Costar Group Co.,Ltd.,Nanyang 473004,China)Abstract:Purposes This article aims to investigate the growth trend and morphological evolution
4、of intermetallic compounds(IMCs)at the interface of Cu/Sn/Ni solder joints during the bonding process at265.Methods Scanning electron microscopy was used to observe and analyze the solder joints.Findings The total thickness of the IMCs at the interface continuously increased with the increase ofbond
5、ing time.Under the interaction of Cu-Ni,the interface morphology evolution and growth rate of theIMCs on both sides of Cu/Sn and Ni/Sn showed different characteristics.Among the four time points ofisothermal reflow,the growth rate of the IMCs on the Cu/Sn side exhibited a trend of fast-slow-fast,whi
6、le on the Ni/Sn side it was slow-fast-slow.In addition,there were significant differences in the microscopic morphology of the IMCs on the Cu/Sn and Ni/Sn sides at the four time points of isothermal reflowin Cu/Sn/Ni solder joints.Conclusions In summary,this study provides valuable reference for a b
7、etterunderstanding of the growth law of IMCs at the interface of solder joints.Keywords:Cu/Sn/Ni solder joint;intermetallic compound;interface reaction收稿日期:2023-02-06作者简介:游飞翔(1995),男,硕士,研究方向:微互连工艺及可靠性。通信作者:田野(1981),男,博士,教授,研究方向:集成电路系统集成。86第12期0引言在集成电路封装技术中,Cu和Ni常作为倒装芯片凸点下金属层(UBM),被广泛使用,Cu/Sn/Ni三明治焊点
8、已经成为芯片的常用封装结构1。近年来,在摩尔定律的推动下,电子产品朝着多功能、高密度和微型化趋势发展,微焊点尺寸已经达到微米级2。随着微焊点尺寸不断减小,由液态钎料与固态金属焊盘通过固液界面反应生成的金属间化合物(Intermetallic Compound,IMC)的比例不断增加,使IMC逐渐成为影响微焊点可靠性和使用寿命的重要因素。近年来,国内外对Cu/Sn/Ni焊点的界面反应进行了诸多研究。其中黄明亮等3研究了Cu-Ni交互作用对Cu/Sn/Ni焊点界面IMC层厚度的影响,以及Cu/Sn/Ni焊点可靠性降低的原因。还有部分学者研究了Cu/Sn/Ni焊点的服役性能和可靠性,董红杰等4则是通
9、过制备Cu/Sn/Ni全IMC焊点,证明焊点的重熔温度和平均剪切强度符合高温功率器件封装中的互连需求。虽然部分学者对大尺寸封装结构下 Cu/Sn/Ni焊点的界面 IMC演变和焊点力学性能进行了研究5,但是对窄间距条件下的Cu/Sn/Ni焊点中的界面IMC生长变化和形貌演变的研究尚不充分,界面反应过程中Cu和Ni对窄间距互连中IMC的交互影响方面仍需要进一步探究。本试验制备了互连高度为 20 m 的 Cu/Sn/Ni微焊点,通过在加热平台上等温加热不同时间,得到各个时间节点下的IMC形貌和IMC层厚度,来研究回流时间对 Cu/Sn/Ni焊点两侧界面上 IMC生长速度和形貌的区别,从而分析Cu-N
10、i交互作用对界面IMC生长过程的影响。1试验方法试验所用材料为T2级紫铜棒(纯度99.9%,长度17 mm,直径1 mm)和N6镍棒(纯度99.9%,长度17 mm,直径1 mm)。使用的钎料为10 mm10 mm0.03 mm的纯锡薄片(纯度99.99%),铜棒和镍棒端面已抛光。使用自制的夹具固定铜棒和镍棒,涂抹助焊剂后,用端面夹紧锡片,调整夹具刻度直至互连高度为20 m。然后把夹具放在无铅回流焊机(HW-R108NC)中进行初步键合,在Sn片熔化30 s后取下,再使用冷水将初始回流样冷却至室温。随后将初始回流样放置于加热平台上,平台参数设定为265,从Sn片熔化开始计时,加热时间分别为6
11、min、13 min、21 min、31 min,再将样品取下来并使用水冷装置冷却至室温。各个样品在平台上加热时间再加上30 s即为界面反应时间。首先,利用环氧树脂将冷却至室温后的样品利用冷镶嵌进行固定,使用砂纸对样品进行粗磨和细磨。然后,使用颗粒直径为1 m、0.3 m、0.05 m的氧化铝悬浮抛光液对样品横截面进行抛光;再使用1%盐酸-99%酒精(体积分数)的腐蚀液对样品横截面进行腐蚀,腐蚀时间为3 s。最后,采用蔡司Sigma-500型号扫描电子显微镜对界面IMC的微观组织形貌进行图像拍摄,采用ImageJ图像处理软件对SEM图进行测量分析。为使界面IMC层厚度的数据更加准确,每张图片测
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