界面Ni3Sn4微觀形貌演變對微焊點力學(xué)性能的影響

邱超，蘇鵬，秦建峰, 馬玉琳，任寧

(1.河南工業(yè)大學(xué)，鄭州 450001；2.河南中光學(xué)集團有限公司，河南 南陽 473004)

0 前言

隨著電子產(chǎn)品及封裝器件不斷朝著微型化和高密度化的方向發(fā)展，三維(3D)硅通孔(TSV)封裝技術(shù)已成為封裝產(chǎn)業(yè)研究的重點[1-2]。微焊點是3D-TSV封裝的重要互連技術(shù)之一。伴隨著3D-TSV封裝密度的不斷攀升，微焊點的尺寸將從目前的100 μm縮減至20 μm以下[3-4]。這會導(dǎo)致微焊點微觀形貌結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著改變，直接影響微焊點的力學(xué)可靠性[5-6]。一般情況下，在Sn基釬料與Cu基板間形成的金屬間化合物(IMC)層是焊點良好冶金結(jié)合的標(biāo)志[7]。然而，微焊點尺寸的減少會導(dǎo)致IMC在微焊點中所占體積比增加。由于IMC與釬料基體有著完全不同的力學(xué)性能，其過量生長可能會引起焊點力學(xué)性能的顯著變化[8]。因此，研究IMC生長對微焊點力學(xué)性能的影響具有重要意義。

近年來，已有大量文獻研究了IMC厚度對焊點力學(xué)性能的影響，其中IMC厚度的變化主要通過改變回流溫度或等溫時效時間來實現(xiàn)[9-11]。張春紅等人[9]研究發(fā)現(xiàn)隨著回流溫度的升高，Cu6Sn5IMC的厚度增加，但焊點的抗拉強度明顯降低。An等人[11]通過等溫時效研究了IMC厚度對Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊點抗拉強度的影響，結(jié)果表明延長時效時間在增加IMC厚度的同時，導(dǎo)致了焊點強度的下降。據(jù)張洪武[12]報道，釬料基體在回流和等溫時效條件下極易發(fā)生晶粒粗化，而該晶粒粗化會明顯削弱焊點的力學(xué)性能。然而，上述研究在探討IMC厚度對焊點力學(xué)性能的影響時，忽略了等溫時效過程中釬料基體微觀形貌在演變對焊點力學(xué)性能的影響。

當(dāng)前多數(shù)關(guān)于IMC對焊點力學(xué)性能影響的研究主要集中于Cu/Sn基釬料/Cu互連結(jié)構(gòu)。隨著焊點尺寸的不斷縮小，Ni/Sn/Ni互連結(jié)構(gòu)由于具有界面反應(yīng)速率較慢，且在低于300 ℃的反應(yīng)溫度下僅形成唯一的反應(yīng)產(chǎn)物Ni3Sn4等特點，已成為3D-TSV封裝中很有發(fā)展前景的一種互連結(jié)構(gòu)[13-14]。因此，該研究以Ni/Sn/Ni微焊點為研究對象，通過延長回流時間來實現(xiàn)IMC生長的同時，不改變釬料的微觀形貌，以更為準(zhǔn)確研究IMC生長對微焊點拉伸力學(xué)性能的影響。

1 試驗方法

為實現(xiàn)將IMC生長作為影響焊點拉伸響應(yīng)的唯一變量，本該研究采用在回流溫度和冷卻速率不變的條件下，通過調(diào)整回流時間的方法來制備具有不同IMC厚度的微焊點樣品。同時，設(shè)計2步試驗法來確保最終樣品的互連高度均保持為20 μm。首先，利用專門設(shè)計的夾具控制Sn層高度，并在250 ℃下保持40 s以獲得初始微焊點樣品。然后，將初始Ni/Sn/Ni微焊點樣品固定在陶瓷塊上，以確保在后續(xù)回流過程中微焊點的互連高度保持不變。回流溫度為265 ℃，冷卻速率為2.5 ℃/s，回流時間分別為25 min，50 min，90 min，制備出含不同IMC厚度的微焊點樣品。

回流后將所有樣品分為2組。其中一組被封裝在環(huán)氧樹脂中，經(jīng)機械研磨和拋光后，用于表征IMC層的微觀形貌演變。將另一組樣品安裝在拉伸試驗機上進行拉伸試驗，在恒定的載荷加載速率(0.05 mm/min)下拉斷，并記錄拉斷過程中微焊點所承受的最大載荷。采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察IMC層的厚度和形貌，使用能譜分析儀(EDS)檢測IMC層的元素分布，采用Image-J圖像分析軟件對IMC層的厚度進行測量和計算。圖1 為制備的微互連樣品橫截面圖。

圖1 回流后Ni/Sn/Ni微互連樣品的橫截面

2 結(jié)果與討論

2.1 不同回流時間下IMC的微觀形貌演變

圖2為不同回流時間下Ni/Sn/Ni微焊點的橫截面SEM圖。從圖2a可以看出，經(jīng)過40 s的回流，在Ni/Sn界面上可觀察到薄層棒狀I(lǐng)MC。表1為該IMC層的EDS成分分析(點A和點B處)。由表1可知，該IMC層主要由Ni和Sn 2種元素組成，且Ni與Sn的原子數(shù)之比約為0.75，根據(jù) Ni-Sn二元相圖，在300 ℃以下Ni和Sn只形成一種Ni3Sn4IMC，因此界面IMC可確定為Ni3Sn4。當(dāng)回流時間增加到25 min時，界面Ni3Sn4IMC顯著生長。同時，可以觀察到Ni3Sn4IMC的形貌發(fā)生了顯著變化，即棒狀變得更長，且在界面上出現(xiàn)了幾個塊狀Ni3Sn4IMC。這些塊狀I(lǐng)MC應(yīng)該是由棒狀I(lǐng)MC粗化后轉(zhuǎn)變而來的。當(dāng)回流時間達到50 min時，界面Ni3Sn4IMC的總厚度持續(xù)增加。通過與圖2b進行對比分析可以看出，此時棒狀Ni3Sn4IMC的厚度幾乎沒有變化，但數(shù)量減少。因此，當(dāng)回流時間為50 min時，微焊點中Ni3Sn4IMC厚度的增加主要歸結(jié)為塊狀Ni3Sn4IMC的粗化。這一現(xiàn)象可由Ostwald熟化理論解釋，擴散到界面的Ni原子優(yōu)先供給粗大的塊狀Ni3Sn4IMC生長。當(dāng)回流時間增加到90 min時，如圖2d所示，在微焊點的一些位置，不斷粗化的塊狀Ni3Sn4IMC已貫穿整個焊點截面，將2個相對的界面連接起來。最近，有報道稱由該IMC組成的全IMC微焊點具有更好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、抗電遷移和抗熱疲勞性能[15]。

圖2 不同回流時間下Ni/Sn/Ni微焊點微觀形貌

表1 Ni/Sn/Ni互連點中IMC的EDS成分(原子分?jǐn)?shù)，%)

由上述分析可得出：塊狀Ni3Sn4IMC在IMC層中所占比例隨著回流時間的增加而增大。該塊狀I(lǐng)MC可能會對微焊點的力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響，因此為量化不同回流時間下塊狀Ni3Sn4IMC的生長情況，通過圖像處理軟件測量并計算了該塊狀I(lǐng)MC在整個IMC層中的平均面積分?jǐn)?shù)，如圖3所示?？梢钥闯觯?dāng)回流時間小于25 min時，塊狀Ni3Sn4IMC的面積分?jǐn)?shù)小于10%。隨著回流時間的延長，塊狀Ni3Sn4IMC快速增長，生長率超過25%；當(dāng)回流時間達到90 min時，面積分?jǐn)?shù)已上升到56.75%。

圖3 不同回流時間下塊狀I(lǐng)MC面積分?jǐn)?shù)

2.2 界面Ni3Sn4 IMC生長對微焊點力學(xué)性能的影響

該節(jié)主要分析隨著回流時間延長(試驗條件與2.1節(jié)相同，時間節(jié)點分別為40 s，25 min，50 min及90 min)持續(xù)生長的界面Ni3Sn4IMC對微焊點抗拉強度的影響。圖4為界面IMC平均厚度與微焊點抗拉強度之間的關(guān)系曲線，由圖4可見，隨著界面Ni3Sn4IMC厚度的增加微焊點的抗拉強度呈現(xiàn)出先下降后上升的變化趨勢。當(dāng)界面Ni3Sn4IMC厚度由1.7 μm(回流40 s)增至8.1 μm(回流25 min)時，微焊點的抗拉強度下降至最小值75 MPa；隨著IMC厚度繼續(xù)增長，微焊點的抗拉強度開始上升，當(dāng)Ni3Sn4IMC厚度增至17.2 μm(回流90 min)時，微焊點的抗拉強度達到最大值為142 MPa。由圖4可看出，在40 s～25 min內(nèi)，隨著界面Ni3Sn4IMC厚度的增加微焊點的抗拉強度呈現(xiàn)出下降趨勢，這主要取決于Ni3Sn4微觀形貌的顯著改變。由圖2a和圖2b可見，界面Ni3Sn4由初始時的短棒狀轉(zhuǎn)變?yōu)殚L棒狀，由于IMC與Sn釬料的強度和彈性模量存在巨大差異，長棒狀Ni3Sn4的尖端會引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，致使其附近區(qū)域極易形成裂紋，造成抗拉強度的下降。

圖4 IMC厚度變化與微焊點抗拉強度關(guān)系曲線

圖5為微焊點的拉伸斷口形貌，由圖5a和圖5b可見，在40 s和25 min時，微焊點的拉伸斷口全部由韌窩構(gòu)成，斷裂模式可確定為韌性斷裂。從圖5b中還可以發(fā)現(xiàn)，韌窩底部出現(xiàn)一定量露頭的棒狀I(lǐng)MC，由此能夠進一步證實上述抗拉強度降低的推斷。

圖5 不同回流時間下Ni/Sn/Ni樣品拉伸斷口

當(dāng)IMC厚度增加至8.1 μm(回流25 min)時，微焊點的抗拉強度出現(xiàn)上升趨勢。這一試驗結(jié)果與其他研究者的試驗結(jié)果存在不同。根據(jù)張春紅等人[9-11]報道，Ni3Sn4IMC厚度的增加會顯著造成微焊點抗拉強度的降低，其原因主要歸結(jié)為Ni3Sn4IMC的固有脆性屬性[9-11]。然而，相比于Sn釬料，Ni3Sn4IMC具有更高的抗拉強度，如Ni3Sn4的抗拉強度為2.0～5.1 GPa，而Sn基釬料的抗拉強度僅為86.1～96.7 MPa[16-17]。根據(jù)據(jù)Ho和Kang等人[18-20]報道，由于Ni3Sn4IMC具有極低的斷裂韌性，Ni3Sn4IMC中的孔洞和不同種類Ni3Sn4IMC構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)極易引起微焊點的早期脆性斷裂，致使微焊點具有很低的抗拉強度。由此推斷出：隨著微焊點中的IMC厚度超過釬料厚度，含有無孔洞、單相界面Ni3Sn4IMC的微焊點應(yīng)該表現(xiàn)出更高的抗拉強度。在當(dāng)前的研究中，在回流25 min后無孔洞的塊狀Ni3Sn4快速地粗化，甚至部分異常長大的塊狀Ni3Sn4已經(jīng)貫穿整個微焊點，如圖2d所示。此外，在300 ℃條件下液態(tài)Sn與固態(tài)Ni通過液固反應(yīng)只形成Ni3Sn4IMC，即在微焊點中只存在一種界面IMC。因此，在Ni3Sn4厚度增加至8.1 μm后，微焊點的抗拉強度開始迅速地增加。其具體原因可總結(jié)為：①在微焊點中Ni3Sn4厚度比Sn釬料厚度高，Ni3Sn4IMC主導(dǎo)微焊點的力學(xué)性能；②在微焊點界面上只形成唯一的Ni3Sn4IMC，不存在IMC雙層結(jié)構(gòu)；③Ni3Sn4IMC層內(nèi)部無柯肯達爾孔洞等缺陷；④Ni3Sn4形貌逐漸粗化成塊狀，甚至在部分區(qū)域塊狀Ni3Sn4已經(jīng)貫穿微焊點，其直接決定了微焊點的抗拉強度；⑤Ni3Sn4的抗拉強度遠高于Sn釬料的抗拉強度。

圖5c和圖5d分別為在回流50 min及90 min時(IMC厚度分別12.4 μm和17.2 μm)微焊點的斷口形貌，由圖5可知，斷裂均發(fā)生在Ni3Sn4內(nèi)部，斷裂模式可以確定為脆性斷裂，且可發(fā)現(xiàn)在回流90 min后微焊點斷口呈現(xiàn)出更多的大塊狀區(qū)域，這進一步證實了上述抗拉強度持續(xù)增大的推斷。

3 結(jié)論

(1)隨著回流時間的增加，Ni/Sn/Ni微焊點中界面Ni3Sn4的厚度連續(xù)增加，且其形貌發(fā)生了顯著的演變。在回流時間小于50 min的微焊點中，Ni3Sn4主要呈現(xiàn)出棒狀形貌，且隨著回流時間延長棒狀Ni3Sn4快速變長；當(dāng)回流時間增加至50 min后，塊狀Ni3Sn4粗化明顯，逐漸取代棒狀Ni3Sn4，成為微焊點的主要Ni3Sn4IMC形貌。

(2)隨回流時間的增加，Ni/Sn/Ni微焊點的抗拉強度呈現(xiàn)出先降低后增加的反常變化趨勢，這主要與Ni3Sn4IMC的微觀形貌轉(zhuǎn)變有關(guān)。當(dāng)Ni3Sn4IMC由短棒狀轉(zhuǎn)變?yōu)殚L棒狀后，其凸出尖端會引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，導(dǎo)致微焊點強度下降；隨著塊狀Ni3Sn4形成和增加，微焊點的抗拉強度增加，主要因為大塊狀、無缺陷的Ni3Sn4IMC可增加裂紋生長抗力。

(3)長棒狀Ni3Sn4IMC會對微焊點的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響，而內(nèi)部無孔洞的塊狀Ni3Sn4IMC有利于提高微焊點的力學(xué)性能。因此，為提高3D-TSV封裝的可靠性，在Ni/Sn/Ni微焊點的制備過程中，應(yīng)避免形成長棒狀Ni3Sn4IMC，盡量制備出含塊狀Ni3Sn4IMC的微焊點。