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随着电子产品的微型化、多功能化的发展,互连焊点之间尺寸日益减小,金属间化合物在焊点中的体积比也在增加,金属间化合物在焊点中起到连接 Cu基板和钎料的作用,随着封装密度的增加,单个焊点所承载的载荷也变得越来越大。所以研究IMC焊点的力学性能,以及界面IMC的生长行为,具有十分重要的意义。 当 Cu/Sn-0.7Cu/Cu焊点时效不同时间之后,焊点内部的Cu6Sn5首先在 Cu基板/钎料的界面上以扇贝状生成,Cu6Sn5开始以小扇贝状进行生长,随着时效时间的延长,小 Cu6Sn5晶粒合并生长成大晶粒 Cu6Sn5然后从基板两侧慢慢向焊点中间靠拢,最终两侧的Cu6Sn5在时效480分钟后相互接触,形成Cu6Sn5/钎料焊点。Cu3Sn在Cu基板和Cu6Sn5之间生成,Cu3Sn层在焊点的拉伸实验中,整个焊点的拉伸强度随着Cu6Sn5的厚度增加而增加,这时焊点的内部化合物为Cu6Sn5/钎料组成。当焊点内的化合物分为Cu6Sn5/Cu3Sn时,Cu3Sn的厚度的增长以消耗Cu6Sn5的形式进行时,在时效960min后形成全Cu3Sn焊点。随着时效时间的延长,扇贝状的Cu6Sn5向层状结构转变。经过Sn-Cu热力学计算可知,在时效前期,Cu6Sn5在界面生成所需的吉布斯自由能比Cu3Sn高,所以Cu6Sn5会作为稳定相,首先在界面形成。经过计算得出Cu6Sn5/Cu3Sn的动力学指数约为0.5,所以Cu6Sn5和Cu3Sn都是受到体积扩散控制的生长。 在进行对比Sn-0.7Cu、Sn-1.0Ag-0.5Cu、Sn-3.0Ag-0.5Cu三种钎料的化合物生长时发现,随着 Ag含量的增加,Cu6Sn5在同时间的厚度得到抑制,这是 Ag的加入抑制Sn-Cu原子结合导致。在含银钎料中存在 Cu6Sn5晶界,由于晶界的存在 Cu基板和Sn-Ag-Cu处的消耗的Cu的质量要比在 Cu/Sn-Cu界面处消耗的Cu的质量要多。在Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点时效120min后发现在焊点形成板条状、针状两种形式的Ag3Sn。对拉伸曲线进行观察得出焊点中IMC体积比的增加,那么焊点的拉伸强度总体在下降,从开始的59.8MPa下降到后期的8.8MPa,在具有较多Cu6Sn5体积比焊点的拉伸曲线中出现两种斜率,Cu6Sn5在拉伸的前期具有抗拉伸的行为存在,随着焊点中IMC体积比的增加,焊点的拉伸都是具有小应变的脆性断裂。在考虑缺陷率在焊点中的拉伸行为中的影响时,焊点开始断裂时,都是从焊点外侧的Cu基板和IMC的界面处开始形成裂纹。同样的缺陷率存在的条件下, Sn-3.0Ag-0.5Cu钎料焊点的力学性能高于Sn-1.5Ag-0.5Cu钎料焊点和Sn-0.7Cu焊点。钎料/IMC焊点中,IMC中缺陷容易慢慢汇集成大型缺陷,最终形成裂纹。当钎料中无缺陷时,焊点裂纹只是钎料/Cu基板处形成扩展,当焊点缺陷率为5%时,裂纹出现钎料中以及钎料/Cu基板界面处。当钎料缺陷率为10%时,裂纹只在钎料中产生,并最终发生断裂。经过对钎料和IMC中的不同缺陷率进行对比,钎料中缺陷率为1%,IMC中缺陷率为40%更加贴近实际中焊点的微观形貌和力学性能。