SAC/Cu及 SAC—Bi—Ni/Cu回流焊界面金屬間化合物演變

劉洋++張洪林++夏鵬++郭龍軍++孔祥瑞++王思雨

摘要：為了研究微焊點界面金屬間化合物的演變行為，以Sn-Ag-Cu（ SAC）及Sn-Ag-Cu-Bi-Ni（SAC-BiNi）微焊點為研究對象，研究界面金屬間化合物在不同工藝參數(shù)回流焊過程中的演變行為，借助SEM及深腐蝕技術(shù)，系統(tǒng)分析了回流時間、回流溫度及冷卻速率對界面金屬間化合物形貌及晶粒尺寸的影響，實驗結(jié)果表明：回流溫度對界面金屬間化合物形貌及演變行為存在顯著影響.在較高的回流溫度下，界面金屬間化合物呈楞面狀.在釬料處于液態(tài)狀態(tài)下，界面金屬間化合物生長迅速，回流冷卻速率對焊點體釬料微觀組織影響顯著但對界面金屬間化合物影響較小.

關(guān)鍵詞：金屬間化合物；低銀釬料；形貌；演變；回流焊

DOI：10.15938/j.jhust.2015.05.013

中圖分類號：TG425.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-2683（2015）05-0065-04

0 引言

隨著微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，高密集度封裝成為近幾十年的主流趨勢，作為提供電氣互連和機(jī)械支撐的釬焊接頭尺寸不斷減小.出于幾何尺寸及界面金屬間化合物（IMC）的脆性考慮，焊點中體釬料和基板之間的連接界面被認(rèn)為是其最薄弱的部分.金屬間化合物粗化和形態(tài)變化可導(dǎo)致釬焊接頭性能及電子產(chǎn)品可靠性降低.因此，金屬間化合物形貌及生長行為已經(jīng)成為該領(lǐng)域的重點研究方向.

影響金屬間化合物的因素較多，如釬料與基板的成分、添加元素、釬焊溫度、焊點尺寸等.由于界面金屬間化合物對釬焊接頭可靠性影響顯著，對金屬間化合物生長行為進(jìn)行系統(tǒng)性研究十分必要，出于對可靠性和成本考慮，本項目組開發(fā)了一種低銀SnAgCu-Bi-Ni（SAC0705 BiNi）釬料.基于我們前期研究，在合金中添加Ni元素對釬焊接頭界面金屬間化合物有重要影響.本文研究了SAC和SAC0705 BiNi釬焊接頭界面金屬間化合物在不同回流溫度、時間和冷卻條件下的演變.

1 實驗

研究中使用的釬料合金為Sn-0.7 Ag-0.5 Cu（SAC0705），SAC305以及低銀SAC0705 BiNi.通過加熱重熔的方式將釬料合金制備成直徑為760μm的焊球.選用純Cu為表面鍍層的基板，并經(jīng)過丙酮和乙醇清洗.

為研究回流溫度對界面金屬間化合物的影響，試樣分別在250℃、270℃和300℃的恒溫爐中回流3分鐘，并在室溫下冷卻.為研究回流溫度對金屬間化合物的影響，利用熱風(fēng)返修工作臺將試樣在250℃下進(jìn)行焊接.焊球在基板上潤濕后持續(xù)保溫5s、50s和120s.為研究冷卻速率對金屬間化合物的影響，試樣在焊后分別與室溫及冰水混合物中冷卻，利用深腐蝕技術(shù)獲取界面金屬間化合物的三維表面，借助掃描電子顯微鏡（FEI Quanta 200）對其形貌及組織進(jìn)行表征.

2 結(jié)果討論

2.1 回流焊溫度對金屬間化合物形貌的影響

圖1所示為不同回流溫度下形成的金屬間化合物形貌.當(dāng)回流溫度為250℃時，SAC0705/Cu和SAC305/Cu回流焊接頭金屬間化合物呈塊狀，其平均直徑約為8μm.前期研究表明該金屬間化合物成分為Cu₆Sn₅.SAC0705 BiNi/Cu回流焊接頭界面微觀組織如圖lb所示，其金屬間化合物為平均晶粒尺寸3～4μm的小顆粒狀（Cu，Ni）₆Sn₅.通過對比觀察，（Cu，Ni）₆Sn₅顆粒尺寸遠(yuǎn)小于其他兩種類型回流焊接頭中Cu₆Sn₅，

隨回流溫度增加，金屬間化合物形貌發(fā)生了顯著轉(zhuǎn)變，如圖1 （g）、（h）及（e）所示，300℃條件下3種回流焊接頭界面金屬間化合物形貌由塊狀轉(zhuǎn)變?yōu)槔忝鏍?，并在回流焊界面出現(xiàn)棒狀金屬間化合物.可見，隨同流焊溫度增加，Cu₆Sn₅和（Cu，Ni）₆Sn₅金屬間化合物傾向形成楞面狀形貌.由于界面金屬間化合物表面能隨回流溫度升高而提升，金屬間化合物晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)槔愣鵂羁山档腕w系表面能，從能量的角度分析該轉(zhuǎn)變可閂發(fā)進(jìn)行，此外，回流焊過程中基板Cu原子擴(kuò)散至體釬料，環(huán)境溫度升高導(dǎo)致界面元素擴(kuò)散速率增加.體釬料巾Cu含量提升為界面金屬間化合物提供大量Cu原子，從而提升其生長速率.

2.2 回流時間對金屬間化合物形貌的影響

圖2（a），（d），（g）所示為3種回流焊接頭界面金屬間化合物的初始形貌.可見回流焊5s時3種焊點界面金屬問化合物均為納米尺度微粒，隨回流時間增K，界而金屬間化合物尺寸快速增長，由于（Cu，Ni）₆Sn₅相比Cu₆Sn₅擁有較多的形核質(zhì)點，其在同流過程中晶粒尺寸增長相對緩慢并呈現(xiàn)與Cu₆Sn₅不同的生長模式.

為了對金屬間化合物在回流焊過程中的演變行為進(jìn)行更直觀的研究，將SAC0705焊球在250℃下鋪展后保溫50s.通過Cu基板傾斜使熔融釬料流動并保溫10s，獲得如圖3所示的微焊點界面微觀組織形貌.即在同一視野下對兩層金屬間化合物進(jìn)行對比分析.如圖所示，金屬間化合物層l同流焊時問約為10s，金屬間化合物層2約為60s.可見Cu₆Sn₅金屬間化合物品粒在回流過程中生長迅速，分析認(rèn)為固液界面具有較高的擴(kuò)散速率，而界而元素擴(kuò)散為金屬間化合物的主要演變機(jī)制，所以，高溫下的液固界面反應(yīng)對界面金屬間化合物的快速牛長影響顯著.由于界面金屬間化合物為脆性組織，處于可靠性考慮，應(yīng)通過工藝優(yōu)化控制回流時間以抑制金屬間化合物過度生長.

2.3 冷卻速率對金屬間化合物形貌的影響

為了對比不同冷卻條件下的金屬問化合物形貌，將SAC0705焊球在250℃下回流20s，分別于室溫及冰水混合物中冷卻.由圖4所示，不同冷卻條件下回流焊界面金屬間化合物形貌相似，但體釬料微觀結(jié)構(gòu)存在顯著差異.其中冰水冷卻條件下，焊點體釬料微觀結(jié)構(gòu)的晶粒尺寸遠(yuǎn)小于室溫冷卻條件.可見界面金屬間化合物形成機(jī)制與體釬料微觀組織結(jié)構(gòu)存在較大差異.體釬料中晶粒在熔融釬料凝固過程中形核長大，快速冷卻產(chǎn)生較大的過冷度，導(dǎo)致體釬料中晶粒的尺寸減小.對界面金屬間化合物而言，其形成主要基于熔融釬料潤濕基板并產(chǎn)生相互作用，并以界面元素擴(kuò)散為主要生長機(jī)制.因此，冷卻速率對金屬間化合物晶粒尺寸影響較小.

3 結(jié)論

1）回流焊溫度對界面金屬間化合物形貌影響顯著.回流焊溫度升高，金屬間化合物呈現(xiàn)楞面狀轉(zhuǎn)變趨勢.

2）回流焊過程中界面金屬間化合物晶粒尺寸增長迅速.相同條件下（Cu，Ni）6_{Sn5生長速率遠(yuǎn)低于Cu}6_Sn5

3）冷卻速率對金屬間化合物形貌影響較小，但對體釬料微觀組織影響顯著.