微焊點的幾何尺寸與界面元素擴散行為的研究.pdf

1、微電子器件不斷朝著更高密度方向發(fā)展，這驅使著焊點幾何尺寸由毫米級縮小到幾十微米。在此細觀尺度范圍，焊點的微觀組織結構、金屬間化合物的演變及界面元素擴散行為均呈現(xiàn)明顯的尺寸效應，這必將對微焊點結構設計、可靠性分析及壽命評估產(chǎn)生重要影響。本文以Sn-0.5Cu/Cu、Sn-1.0Cu/Cu、Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu三種不同成分、不同尺寸的連接結構為研究對象，在160℃進行高溫時效(0h、96h、216h、384h、600h)試驗后

2、對比分析了焊點幾何尺寸（即體釬料與Cu層之間的擴散距離）對界面結構、體釬料和Cu層消耗量以及近界面釬料中元素擴散行為的影響。
　　研究結果表明，Sn-0.5Cu/Cu、Sn-1.0Cu/Cu、Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu三種不同成分、不同尺寸的連接界面，經(jīng)高溫時效后界面IMC的生長均發(fā)生了明顯的幾何尺寸效應。不同尺寸的體釬料，經(jīng)高溫時效后，形成的化合物結構不同。楔形試樣的尖端區(qū)域體釬料全部耗盡，轉變成了較規(guī)則的楔形化合物(C

3、u3Sn、Cu6Sn5)，隨著時效時間的延長，楔形化合物區(qū)不斷擴大。隨著體釬料擴散距離（幾何尺寸）的增大，界面由Cu、Cu3Sn組成轉變?yōu)镃u、Cu3Sn、Cu6Sn5組成或Cu、Cu3Sn、Cu6Sn5和釬料組成的結構。定義當楔形試樣的尖端區(qū)域釬料消耗盡時，單位時間內生成楔形化合物的厚度為界面IMC的生長速率，消耗的Cu的厚度為Cu層的消耗速率。體釬料擴散距離對連接界面IMC生長速率影響顯著。在時效過程中，隨著體釬料擴散距離的增大，S

4、n-0.5Cu/Cu和Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu連接界面IMC的生長速率都不斷減小，而Sn-1.0Cu/Cu連接界面化合物的生長速率先增大后減小。隨著體釬料擴散距離的增大，三種不同成分的連接界面楔形Cu3Sn層的生長速率都在不斷減小，Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu連接界面Cu3Sn層厚度最小。
　　分別對Sn-0.5Cu/Cu、Sn-1.0Cu/Cu、Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu三種材料進行試驗，大量試驗表明:高

5、溫時效后，體釬料擴散距離對焊點體釬料層和Cu層消耗的速率影響顯著。體釬料擴散距離越大，楔形試樣尖端區(qū)釬料層和Cu層消耗速率越小。
　　Sn-0.5Cu/Cu連接界面在160℃時效600h后，微焊點界面近區(qū)釬料一側Cu的濃度隨著擴散距離的減小而增加;Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu在時效過程中，微焊點界面處化合物生長受元素擴散控制。在微焊點界面近區(qū)釬料一側Sn的濃度隨著擴散距離的減小而減少。
　　在長期固態(tài)擴散過程中，隨著焊