微連接Cu-SAC305-Cu界面擴散動力學與幾何尺寸關(guān)聯(lián)研究.pdf

1、隨著微電子器件向微型化、高性能方向發(fā)展，互連焊點的幾何尺寸遵循摩爾定律以每十八個月翻一番的速度由毫米級縮小到幾十微米甚至幾微米。在此細觀尺度下，焊點的力學性能參數(shù)和微觀組織特征均呈現(xiàn)明顯的幾何尺寸效應(yīng)，影響焊點的結(jié)構(gòu)設(shè)計、可靠性分析及壽命評估。本文通過回流焊獲得不同釬料層（擴散區(qū)）厚度(δ=15～50μm)的Cu/SAC305/Cu三明治結(jié)構(gòu)擴散偶，在不同溫度(120℃、140℃、160℃)下進行高溫時效(t=0h、96h、216h、3

2、84h、600h)處理后，研究了幾何尺寸依賴的界面IMC層生長動力學、焊盤金屬層的消耗以及近界面區(qū)擴散元素的濃度分布，分析了擴散區(qū)厚度對界面元素擴散行為的影響。
　　研究結(jié)果表明，在回流焊后，在Cu層/體釬料的界面處形成扇貝狀的Cu6Sn5金屬間化合物，并且隨著擴散區(qū)厚度的降低，Cu6Sn5層的厚度和比例呈現(xiàn)升高的趨勢。在160℃高溫時效過程中，在Cu層/Cu6Sn5界面處生成一層Cu3Sn金屬間化合物。
　　擴散區(qū)厚度對高

3、溫時效過程中界面IMC層的轉(zhuǎn)變有顯著的影響。擴散區(qū)厚度越小，時效過程中界面處越有利于Cu3Sn層的生長，時效后Cu6Sn5層和Cu3Sn層的厚度比越小。同時，界面處Cu6Sn5與Cu3Sn的厚度比隨著時效時間的延長呈現(xiàn)先降低后緩慢升高的趨勢。隨著擴散區(qū)厚度的降低，時效過程中Cu3Sn層、Cu6Sn5層和IMC層（Cu6Sn5層+Cu3Sn層）的生長速率都呈現(xiàn)減小的趨勢，并且這種趨勢在高溫下表現(xiàn)得更加顯著。
　　回流焊后焊盤Cu層的

4、消耗隨著擴散區(qū)厚度的降低而變化不大。然而在時效過程中焊盤Cu層的消耗與擴散區(qū)厚度呈正比，并且時效時間越長，這種擴散區(qū)厚度對Cu層消耗的影響趨勢越顯著。時效過程中可擴散區(qū)Cu和Sn的濃度差不同導致界面處Cu和Sn的擴散速率的不同，造成界面IMC層的生長和Cu層的消耗隨著擴散區(qū)厚度的變化而呈現(xiàn)變化。
　　隨著擴散區(qū)厚度的增大，回流和時效后擴散區(qū)中Cu的濃度呈現(xiàn)減小的趨勢，Sn的濃度呈現(xiàn)增大的趨勢。當微焊點縮小到細觀尺度時，由于釬料基體

5、量的限制，Cu、Sn的擴散會使擴散區(qū)的組元濃度發(fā)生很大的變化，進而又對界面元素的擴散造成影響。隨著擴散區(qū)厚度的增大，界面反應(yīng)后近界面區(qū)體釬料組織的硬度和抗蠕變性能降低。擴散區(qū)的成分和組織通過界面元素擴散發(fā)生變化，擴散區(qū)微觀力學參數(shù)的尺寸依賴進一步證實了微焊點在界面反應(yīng)過程中元素擴散的幾何尺寸效應(yīng)。
　　實驗證明，在細觀尺度下，擴散系數(shù)D不僅由溫度和材料等因素決定，還受有限的可擴散層厚度的影響;界面IMC層的生長激活能Q亦與焊點界面