Ni-Sn-Ni焊點(diǎn)界面金屬間化合物的微觀形貌演變研究

趙志豪 李五岳 李國(guó)俊 田野

摘 要：【目的】研究Ni-Sn-Ni微焊點(diǎn)在固液反應(yīng)條件下界面金屬間化合物（Intermetallic Compounds，IMCs）的生長(zhǎng)及形貌變化?！痉椒ā坎捎镁軍A具調(diào)控的Ni-Sn（20 μm）-Ni作為樣品，通過(guò)SEM觀察等溫條件下Ni-Sn-Ni不同時(shí)間點(diǎn)橫截面的微觀組織結(jié)構(gòu)，并通過(guò)EDX對(duì)界面處生成的IMCs進(jìn)行分析?！窘Y(jié)果】在Ni-Sn反應(yīng)的界面處僅生成一種單相IMCs，為Ni3Sn4，該界面IMCs的生長(zhǎng)速度由快變慢最后趨于平緩。此外，界面IMCs的形貌隨時(shí)間由針狀轉(zhuǎn)變?yōu)榘魻詈笤俎D(zhuǎn)變?yōu)閴K狀?！窘Y(jié)論】在Ni-Sn固液反應(yīng)中，界面IMCs的生長(zhǎng)速度及形貌隨鍵合時(shí)間的增加發(fā)生顯著變化。

關(guān)鍵詞：Ni-Sn-Ni微焊點(diǎn)；界面反應(yīng)；金屬間化合物

中圖分類(lèi)號(hào)：TG454? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2023）10-0088-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.018

Abstract： [Purposes] In this paper， the growth and morphology changes of interfacial intermetallic compounds （IMCs） in Ni-Sn-Ni micro-solder joints under solid-liquid reaction conditions were studied. [Methods] In this experiment， Ni-Sn （20 μm）-Ni regulated by precision fixtures were used as the sample， the microstructure of the cross-section of Ni-Sn-Ni at different time points under isothermal conditions was observed by SEM， and the IMCs generated at the interface were analyzed by EDX. [Findings] Only a single-phase IMCs Ni3Sn4 was formed at the interface of Ni-Sn reaction， and the growthrate of IMCs at the interface changed from fast to slow and finally flattened. In addition， the morphology of interfacial IMCs changes from needle-like to rod-like and then to bulk-like with time. [Conclusions] During the Ni-Sn solid-liquid reaction， the growth rate and morphology of interfacial IMCs changed significantly with the increase in bonding time.

Keywords： Ni-Sn-Ni micro-solder joints; interface reaction; intermetallic compound

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及5G等技術(shù)的快速發(fā)展要求芯片性能更高、尺寸更小、可靠性更好。而二維封裝已經(jīng)不能滿足芯片未來(lái)發(fā)展的需求［1］?；诠柰准夹g(shù)的三維封裝技術(shù)因具有高集成度、低功耗和高運(yùn)行速率，將成為未來(lái)發(fā)展的主流方向［2-3］。

在三維封裝中，隨著芯片不斷向多功能化、微小化的方向發(fā)展，導(dǎo)致微焊點(diǎn)的尺寸不斷減小。而微焊點(diǎn)尺寸的減小將直接導(dǎo)致微焊點(diǎn)中金屬間化合物（Intermetallic Compounds，IMCs）的比例顯著增加，進(jìn)而使IMCs的性能成為影響微焊點(diǎn)性能的決定性因素之一。影響IMCs性能的因素主要有IMCs的材料、IMCs的生長(zhǎng)等［4］。Ni通常作為焊盤(pán)中的擴(kuò)散阻擋層，所以在Sn釬料微焊點(diǎn)中常出現(xiàn)Ni-Sn-Ni微互連結(jié)構(gòu)［5］。因此，研究Ni-Sn-Ni焊點(diǎn)界面IMCs的微觀形貌演變具有重要意義。

目前Wang等［6］研究了在280 ℃的鍵合溫度下Ni-Sn-Ni焊點(diǎn)在不同互連高度下的微觀形貌，發(fā)現(xiàn)其微觀形貌主要由針狀及塊狀兩種IMCs。華中科技大學(xué)的王波等［7］研究了不同互連高度下Cu-Sn-Cu微焊點(diǎn)的微觀組織變化，發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)互連高度越低，IMCs生長(zhǎng)速度和IMCs比例升高得越快。而關(guān)于研究Ni-Sn-Ni微互連結(jié)構(gòu)的相關(guān)文獻(xiàn)較少，因此有必要研究Ni-Sn-Ni焊點(diǎn)在互連高度為20 μm下的生長(zhǎng)演變過(guò)程，進(jìn)而為倒裝芯片的電子封裝提供更多的理論依據(jù)。

本研究通過(guò)在等溫條件（265 ℃）下不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)（7 min、21 min、50 min和87 min）的Ni-Sn（20 μm）-Ni微焊點(diǎn)的橫截面SEM，研究了Ni-Sn-Ni結(jié)構(gòu)中IMCs的厚度及微觀形貌，進(jìn)而得出Ni-Sn-Ni微焊點(diǎn)界面金屬間化合物微觀形貌的演變情況。

1 試驗(yàn)過(guò)程及方法

試驗(yàn)所用材料為N6級(jí)鎳棒（純度99.9%，長(zhǎng)度17 mm，直徑1 mm），釬料為Sn片（純度99.9%，規(guī)格10 mm×10 mm×0.03 mm）。使用自制的精密夾具將鎳棒的拋光端面對(duì)齊并固定，在Sn片上涂抹助焊劑后夾持在兩根鎳棒的中間。隨后旋轉(zhuǎn)夾具旋鈕控制其互連高度為20 μm。

將制備好的Ni-Sn（20 μm）-Ni微互連結(jié)構(gòu)放進(jìn)回流爐內(nèi)回流，在Sn片熔化30 s后取出，使用冷風(fēng)槍迅速冷卻至室溫，得到互連高度為20 μm的初始回流樣。隨后將制備好的初始回流樣放置在預(yù)熱平臺(tái)上分別恒溫7 min、21 min、50 min及87 min后取下，用冷水冷卻至室溫。

將冷卻至室溫的不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的樣品鑲嵌進(jìn)環(huán)氧樹(shù)脂中，先使用砂紙磨削，之后依次使用懸浮顆粒為1 μm、0.3 μm、0.05 μm的氧化鋁拋光液進(jìn)行拋光。在拋光后使用自制腐蝕液（鹽酸體積分?jǐn)?shù)為1%的鹽酸乙醇溶液）對(duì)樣品橫截面進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間為5 s。最后采用德國(guó)Zeiss公司的Sigma-500型號(hào)的掃描電子顯微鏡對(duì)微焊點(diǎn)的微觀形貌進(jìn)行表征，再采用ImageJ對(duì)SEM圖進(jìn)行測(cè)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 回流過(guò)程中Ni-Sn-Ni微焊點(diǎn)的微觀組織結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)回流工藝后Ni-Sn（20 μm）-Ni初始焊點(diǎn)在SEM下的微觀形貌如圖1所示。由圖1可以看出，在Ni-Sn界面處的IMCs呈棒狀和小塊狀連續(xù)均勻分布，通過(guò)ImageJ軟件測(cè)量后可得Ni-Sn界面兩側(cè)IMCs平均厚度分別為0.40 μm和0.42 μm，可以看出Ni-Sn（20 μm）-Ni經(jīng)過(guò)初始回流后在微焊點(diǎn)兩側(cè)界面處生成的IMCs非常小，對(duì)后續(xù)等溫試驗(yàn)中IMCs的生長(zhǎng)幾乎不產(chǎn)生影響。

Ni-Sn界面生成的IMCs的EDX曲線如圖2所示。由圖2可以看出，Ni與Sn的原子比接近3∶4。Ni-Sn二元相如圖3所示，由圖3可知界面處IMCs為Ni3Sn4。本試驗(yàn)為縮減實(shí)際鍵合時(shí)間與理論鍵合時(shí)間之間的差值，在冷卻階段使用冷風(fēng)槍對(duì)樣品進(jìn)行快速冷卻，這樣有效避免從預(yù)熱平臺(tái)上取下后夾具還具備一定的溫度，不會(huì)導(dǎo)致Ni-Sn反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。

2.2 等溫時(shí)效過(guò)程N(yùn)i-Sn-Ni微焊點(diǎn)的微觀組織結(jié)構(gòu)演變

Ni-Sn-Ni微互連在不同等溫時(shí)間下橫截面的SEM如圖4所示。反應(yīng)時(shí)間為7 min時(shí)的微觀形貌如圖4（a）所示，由圖4（a）可以看出，在微焊點(diǎn)的兩側(cè)形成一層薄薄的IMCs，并且IMCs的形貌大多為針狀。反應(yīng)時(shí)間為21 min時(shí)的微觀形貌如圖4（b）所示，由圖4（b）可以看出，此時(shí)IMCs的厚度遠(yuǎn)大于7 min時(shí)IMCs的厚度，此時(shí)IMCs的形貌大多為細(xì)棒狀，少量的IMCs為小塊狀。反應(yīng)時(shí)間為50 min時(shí)的微觀形貌如圖4（c）所示，由圖4（c）可以看出，此時(shí)IMCs的厚度大于21 min時(shí)IMCs的厚度，此時(shí)IMCs的形貌大多為粗棒狀，并且已經(jīng)出現(xiàn)較大的塊狀I(lǐng)MCs。反應(yīng)時(shí)間為87 min時(shí)的微觀形貌如圖4（d）所示，由圖4（d）可以看出，此時(shí)IMCs的厚度大于50 min時(shí)IMCs的厚度，此時(shí)IMCs的形貌大多為塊狀，僅有少量為棒狀I(lǐng)MCs，并且焊縫兩側(cè)部分區(qū)域的IMCs連接形成一個(gè)IMCs。

Ni-Sn-Ni微互連結(jié)構(gòu)中IMCs的平均厚度與時(shí)間的曲線如圖5所示。由圖5可以看出，IMCs的厚度在21 min前增加十分迅速，在21 min后IMCs的厚度增加逐漸變緩。

IMCs的厚度增速變化是由于Ni原子進(jìn)入Sn釬料中的難度不斷增加。首先，當(dāng)焊縫處的溫度達(dá)到Sn釬料的熔點(diǎn)時(shí)，Sn釬料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。由于在Ni-Sn邊界處存在大量的Ni原子，而在Sn釬料內(nèi)部卻沒(méi)有Ni原子存在，因此在Sn釬料中產(chǎn)生Ni原子的濃度差。濃度差的存在導(dǎo)致Ni原子不斷向液態(tài)Sn釬料中擴(kuò)散，而在界面處由于存在大量的Ni原子與Sn原子，會(huì)快速達(dá)到過(guò)飽和濃度，進(jìn)而在界面處快速反應(yīng)生成IMCs。然后，在反應(yīng)時(shí)間為7 min時(shí)，IMCs層的底部形成閉合區(qū)域，形成Ni-Ni3Sn4-Sn-Ni3Sn4-Ni結(jié)構(gòu)，在Ni原子進(jìn)入Sn釬料的路徑中增加了薄薄的IMCs層，這導(dǎo)致IMCs厚度的增加速度略微下降。最后，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，IMCs層底部的閉合區(qū)域不斷增厚，這也就導(dǎo)致 IMCs厚度的增加速度不斷下降。

綜上所述，在Ni-Sn反應(yīng)中主要出現(xiàn)了針狀、棒狀及塊狀三種形貌的IMCs。在反應(yīng)前期，IMCs生長(zhǎng)速度較快并形成以針狀I(lǐng)MCs占據(jù)主導(dǎo)的薄IMCs層。隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，針狀的IMCs逐漸變粗形成細(xì)棒狀I(lǐng)MCs，并在IMCs底端形成閉合區(qū)域，使Ni原子進(jìn)入熔融Sn釬料中的難度增加，導(dǎo)致反應(yīng)速率下降。在反應(yīng)后期，IMCs層中的部分棒狀轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀，出現(xiàn)了直接連接兩側(cè)Ni焊盤(pán)的大塊IMCs。

Ni-Sn-Ni焊點(diǎn)的固-液界面反應(yīng)的IMCs生長(zhǎng)速度比Cu-Sn-Cu焊點(diǎn)更慢，因此可以在芯片服役過(guò)程中保持可靠更長(zhǎng)時(shí)間。此外，Ni-Sn-Ni焊點(diǎn)在鍵合溫度為265 ℃下界面反應(yīng)生成的相是單一的Ni3Sn4相，而Cu-Sn-Cu界面反應(yīng)容易產(chǎn)生相界裂紋的Cu6Sn5和Cu3Sn雙相。因此，Ni-Sn（20 μm）-Ni微焊點(diǎn)在長(zhǎng)期高溫服役的電子元件中比Cu-Sn制備的微焊點(diǎn)具有更長(zhǎng)的服役時(shí)間和更高的可靠性。

3 結(jié)論

通過(guò)在265 ℃不同固-液界面反應(yīng)時(shí)間下制備樣品，研究Ni-Sn-Ni微互連結(jié)構(gòu)在等溫條件下的微觀形貌演變，可以得出以下結(jié)論：①Ni-Sn反應(yīng)生成的IMCs層厚度隨反應(yīng)時(shí)間的增加而增加；②Ni-Sn反應(yīng)前期速度較快，在底層IMCs閉合后反應(yīng)速度逐漸放緩；③Ni-Sn反應(yīng)生成的IMCs形貌演變由前期的細(xì)針狀逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹衅诘募?xì)棒狀再到最后的塊狀；④當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后，兩側(cè)的Ni焊盤(pán)由Ni3Sn4連接，此時(shí)微焊點(diǎn)的力學(xué)性能主要由Ni3Sn4的力學(xué)性能決定。

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收稿日期：2023-02-06

作者簡(jiǎn)介：趙志豪（1997—），男，碩士生，研究方向：微互連工藝及可靠性。

通信作者：田野（1981—），男，博士，教授，研究方向：集成電路系統(tǒng)集成。