钎焊工艺对Au-Sn/Ni焊点组织及力学性能的影响

通过回流焊技术制备Au-Sn/Ni焊点,通过扫描电子显微镜和能谱检测分析钎焊接头的微观组织及其相组成,利用疲劳试验机对焊点的剪切强度进行检测,研究不同钎焊工艺对Au-Sn/Ni焊点组织和力学性能的影响。结果表明,在310℃钎焊1 min的Au-Sn/Ni焊点经过水冷或空冷后,焊料内部均形成镶嵌有离散分布的(Ni,Au)_3Sn_2相的(Au5Sn+Au Sn)共晶组织,焊料/Ni界面处形成(Ni,Au)_3Sn_2金属间化合物(intermetallic compound,IMC)层;钎焊后炉冷的焊点,由于冷却速度过慢,导致焊料中Ni质量分数增大,(Ni,Au)_3Sn_2相异常长大消耗共晶组织中的(Au,Ni)Sn相,焊料共晶组织消失。随着钎焊时间的延长,基板中的Ni原子不断往焊料扩散,界面处的IMC层厚度均有不同程度的增加。随钎焊时间延长焊点的剪切强度逐渐下降,而剪切断裂模式为脆性断裂,发生在焊料与金属间化合物层的界面处。Au-Sn/Ni焊点在310℃下钎焊1 min,并采用水冷方式时得到的力学性能最佳。

Cu/Sn/Ni焊点界面金属间化合物的生长及演变

【目的】研究Cu/Sn/Ni焊点在265℃下键合过程中界面金属间化合物的生长趋势及形貌演变。【方法】使用扫描电镜对焊点进行观察和分析。【结果】随着键合时间的增加,界面金属间化合物总厚度不断增加。在Cu-Ni的交互作用下,界面金属间化合物在Cu/Sn和Ni/Sn两侧表现出不同的界面形貌演变和生长速度。在等温回流的四个时间节点中,Cu/Sn侧的金属间化合物生长速率呈先快后慢的趋势,而Ni/Sn侧则为先慢后快。此外,在Cu/Sn/Ni焊点等温回流的四个时间节点中,Cu/Sn侧和Ni/Sn侧金属间化合物的微观形貌存在明显差异。【结论】本研究为深入理解焊点界面金属间化合物的生长规律提供了有价值的参考。

Ni/Au镀层与SnPb焊点界面电迁移的极性效应

采用Ni(P)/Au镀层-SnPb焊点-Ni(P)/Au镀层的互连结构,研究电迁移作用下焊点/镀层界面金属间化合物(IMC)的极性生长特性,从电位差和化学位梯度条件下原子定向扩散的角度分析互连结构的微结构变化的微观机制。在无外加应力条件下,由于液态反应速率远远快于固态反应速率,Ni(P)/Au镀层与焊点界面IMC经过120℃、100h的热处理后无明显变化。但是,在电迁移作用下,由于Sn沿电子流方向的定向扩散使阳极界面IMC异常生长,而阴极界面IMC厚度基本不变。由于电子由上层Cu布线进入焊点的电子注入口位于三相结合界面位置,在焦耳热的作用下会导致焊料的局部熔融,引起Cu布线与焊料的反应,使电子注入口的Cu布线合金化。

AuSn20/Ni焊点的界面反应及剪切强度

采用回流焊技术制备AuSn20/Ni焊点,通过扫描电子显微镜(SEM)及能谱分析(EDX)研究AuSn20/Ni焊点界面反应特征,探讨退火温度和时间对AuSn20/Ni焊点显微组织和剪切强度的影响。结果表明:AuSn20/Ni焊点在300℃钎焊90 s后,焊料内部产生ζ′-Au5Sn+δ-AuSn共晶组织和棒状(Ni,Au)3Sn2相。焊点在150℃退火时,界面反应速度较慢,金属间化合物(IMC)层厚度随着退火时间延长而缓慢增大;焊点的剪切强度随退火时间延长有较小幅度下降。在200℃退火时,AuSn20/Ni的界面反应速度较快,焊料/Ni界面形成(Au,Ni)Sn+(Ni,Au)3Sn2复合IMC层。焊点的剪切强度随退火时间延长呈较大幅度下降。从焊点力学可靠性方面考虑,AuSn20/Ni焊点不宜在200℃及以上温度长时间服役。

Cu-Ni交互作用对Cu/Sn/Ni焊点液固界面反应的影响

研究Cu/Sn/Ni焊点在250℃液固界面反应过程中Cu-Ni交互作用对界面反应的影响。结果表明:液固界面反应10 min后,Cu-Ni交互作用就已经发生,Sn/Cu及Sn/Ni界面金属间化合物(IMCs)由浸焊后的Cu6Sn5和Ni3Sn4均转变为(Cu,Ni)6Sn5,界面IMCs形貌也由扇贝状转变为短棒状。在随后的液固界面反应过程中,两界面IMCs均保持为(Cu,Ni)6Sn5类型,但随着反应的进行,界面IMC的形貌变得更加凸凹不平。Sn/Cu和Sn/Ni界面IMCs厚度均随液固界面反应时间的延长不断增加,界面IMCs生长指数分别为0.32和0.61。在液固界面反应初始阶段,Sn/Cu界面IMC的厚度大于Sn/Ni界面IMC的厚度;液固界面反应2 h后,由于Cu-Ni交互作用,Sn/Cu界面IMC的厚度要小于Sn/Ni界面IMC的厚度,并在液固界面反应6 h后分别达到15.78和23.44μm。

Cu/Sn-58Bi/Ni焊点液-固电迁移下Cu和Ni的交互作用

采用浸焊方法制备Cu/Sn-58Bi/Ni线性焊点,研究5×103 A/cm2、170℃条件下液-固电迁移对Cu/Sn-58Bi/Ni线性焊点Cu、Ni交互作用以及界面反应的影响。无论电流方向如何,在液-固电迁移过程中焊点均表现为"极性效应",即阳极界面金属间化合物(IMC)持续生长变厚,且一直厚于阴极界面的IMC。电迁移显著加快了Cu、Ni原子的交互作用。当电子由Ni流向Cu时,在化学势梯度和电子风力的耦合作用下,Ni原子扩散至阳极Cu侧参与界面反应生成(Cu,Ni)6Sn5类型IMC,同时一定量的Cu原子能够逆电子风扩散到Ni侧,参与界面反应生成(Cu,Ni)6Sn5类型IMC;当电子由Cu流向Ni时,大量的Cu原子扩散至Ni侧,并参与界面反应生成(Cu,Ni)6Sn5类型IMC,然而,Ni原子在逆电子风条件下无法扩散至Cu侧,从而使阴极Cu侧界面始终为Cu6Sn5类型IMC。此外,无论电流方向如何,焊点内都没有出现Bi的聚集。

Cu／AuSn20／Ni焊点界面组织及剪切强度

采用回流焊技术制备Cu／AuSn20／Ni（质量百分比）焊点，通过扫描电子显微镜及电子万能试验机分析焊点在300℃钎焊后的界面组织及剪切强度。结果表明，Cu／AuSn20／Ni焊点在300℃钎焊较短时间时，AuSn20焊料形成（Au5Sn＋AuSn）共晶组织，Cu／AuSn20上界面形成胞状的ζ-（Au，Cu）5Sn层；AuSn20／Ni下界面形成片状（Ni，Au）3Sn2金属间化合物（IMC）；随着钎焊时间的延长，基板中Cu、Ni原子不断往焊料扩散，焊料成分发生变化，冷却后焊点的共晶组织消失，上界面形成ζ（Cu）固溶体，下界面的片状（Ni，Au）3Sn2不断长大形成连续IMC层，焊点组织最终由℃（Cu）固溶体和（Ni，Au）3Sn2IMC组成。钎焊接头的剪切强度随钎焊时间延长而增大，但是增大幅度较小。

AuSn/(Ni/AlSi)焊点的界面反应及剪切强度

分别采用双辊甩带快速凝固技术和喷射沉积技术制备AuSn焊料和AlSi合金,研究AuSn/(Ni/AlSi)焊点的界面反应特征及固相老化退火时间对焊点组织和剪切强度的影响。研究结果表明:在300℃钎焊90 s后,AuSn/(Ni/AlSi)焊点形成细小的层状(ζ-Au5Sn)+(δ-AuSn)共晶组织和针状的(Ni,Au)3Sn2相。焊点在200℃固相老化退火不同时间后,共晶组织明显粗化,焊料/基体界面处形成(Au,Ni)Sn+(Ni,Au)3Sn2复合金属间化合物(IMC)层,且随退火时间延长逐渐增大。退火时间达1 000 h时,在(Ni,Au)3Sn2/Ni界面处产生(Ni,Au)3Sn相。当退火时间小于300 h时,焊点剪切强度随退火时间延长逐渐降低,断裂形式主要是发生在焊料/IMC界面的脆性断裂。退火时间继续延长剪切强度基本不变,断裂主要发生在IMC内部,而且从断裂模型沿晶断裂转变为穿晶断裂。

老化退火中Cu/AuSn20/Ni焊点的组织演变

研究Cu/AuSn20/Ni焊点在120、160和200℃下老化退火时金属间化合物(IMC)层的组织形貌、生长动力学以及焊点剪切性能。结果表明:在老化退火过程中,焊点Cu/AuSn20上界面形成AuCu和Au(Cu,Sn)复合IMC层,Ni/AuSn20下界面形成(Ni,Au,Cu)3Sn2四元IMC层;IMC层厚度随着退火时间延长而逐渐增大,其生长动力学分析表明AuCu层和Au(Cu,Sn)层的生长机制为体积扩散,而(Ni,Au,Cu)3Sn2层的生长机制为反应扩散;IMC层的长大速率随温度升高而增大;焊点的室温剪切强度随AuCu和Au(Cu,Sn)层厚度增大而大幅降低,剪切断裂发生在Cu/AuSn20界面。

Bi对Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi/Ni焊点IMC的影响

无铅钎料和基板间金属间化合物(IMC)的生长对元器件的可靠性有重要影响。使用Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi无铅钎料与Ni盘进行焊接,并对焊点进行了180℃时效试验,时效时间分别为0、24、96、216和384h。采用金相显微镜、扫描电镜和能谱仪观察分析了钎料与Ni界面IMC的生长及形貌变化,并对其焊点IMC层Ni的分布进行了分析,同时对其界面生长速率进行了拟合。结果表明:Sn-0.3Ag-0.7Cu焊料与Ni焊盘之间的IMC是棒状的(CuxNi1-x)6Sn5,Bi的加入并没有起到很好的抑制作用,而是随着Bi含量的增加IMC先增加后减少。Sn-0.3Ag-0.7Cu/Ni焊点IMC中Ni的平均含量(wNi)分为15%、5%两区域,由近Ni向钎料基体方向呈下降趋势。但是Sn-0.3Ag-0.7Cu-3.0Bi/Ni焊点IMC中Ni的平均含量在7%左右。时效后IMC层的厚度会随着老化时间的延长而增加,但是Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi/Ni焊点由于Bi的析出IMC增长得缓慢;Sn-0.3Ag-0.7Cu/Ni焊点(CuxNi1-x)6Sn5中15%Ni的含量区域逐渐过渡到5%区域,但是Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi/Ni焊点IMC中Ni的平均含量维持9%较时效前有所增加。通过生长速率计算,Sn-0.3Ag-0.7Cu-xBi/Ni焊点IMC的生长速率随着Bi含量的增加而减少。

温度梯度作用下的Ni/Sn/Cu焊点界面反应分析

采用Ni/Sn/Cu互连焊点作为研究对象,在不涉及电迁移效应条件下,设置温度梯度为TG=1 046℃/cm,研究在热迁移作用下镍为热端、铜为冷端时界面金属间化合物(intermetallic compound,简称IMC)的显微组织变化.结果表明,随着热迁移加载时间的增加,冷、热两端界面IMC的厚度都增加,但冷端界面IMC的生长速率大于热端.EDS分析表明,界面IMC是(Cu,Ni)_6Sn_5相,并且热端IMC中的Ni元素含量高于冷端.另外,在冷端的界面(Cu,Ni)_6Sn_5相中观察到大量的空洞,且在(Cu,Ni)_6Sn_5/Cu界面之间没有观察到Cu_3Sn.

电迁移对Ni/Sn63Pb37/Cu焊点界面反应的影响

研究了在125℃,1×10^(3) A/cm^(2)条件下电迁移对Ni/Sn63Pb37/Cu BGA焊点界面反应的影响。回流后,在焊料/Ni界面处形成Ni_(3)Sn_(4)、在焊料/Cu界面处形成Cu^(6)Sn_(5)的金属间化合物。随着电迁移时间增加,芯片侧金属间化合物转变为(Cu,Ni)_(6)Sn_(5)类型化合物,印制板侧Cu6Sn5金属间化合物类型保持不变。电迁移过程中,阳极侧IMC厚度随电迁移时间增加而增加,界面反应为扩散控制,同一侧界面阳极侧IMC厚度大于阴极侧IMC厚度。阴极界面的生长规律较阳极侧复杂,初始阶段界面IMC的厚度较小,界面IMC随电迁移时间的增加而增厚;当界面的厚度达到一定值后,界面IMC的厚度随电迁移时间的增加而减小。

时效对BGA无铅焊点抗剪强度和断裂模式的影响

测试了BGA(球栅阵列)板级封装Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点经时效后的抗剪强度,并采用三维超景深显微镜对全部试样焊点的断裂模式进行统计分析。对比研究不同时效温度、时效时间和焊盘处理方式(OSP,Ni/Pd/Au)对焊点抗剪强度及断裂模式的影响。试验结果表明:时效温度越高,时间越长,焊点的抗剪强度越低,在相同时效条件下,焊盘经Ni/Pd/Au处理的焊点抗剪强度高于经OSP处理的焊点抗剪强度;断裂模式随时效温度的升高和时间的延长,由焊球断裂向界面开裂及焊盘失效转变。

AuSn钎料及AuSn/Ni焊点的组织性能研究

分别采用叠轧-合金化法和回流焊技术制备AuSn箔材钎料和AuSn/Ni焊点,用扫描电子显微镜及电子万能试验机研究钎焊时间对AuSn/Ni界面组织及焊点剪切性能的影响。结果表明:采用叠轧-合金化法制备的AuSn钎料的熔点和化学成分都接近Au-20Sn共晶钎料。Ni/AuSn/Ni焊点在330℃钎焊30s时形成良好的层状ζ-(Au,Ni)5Sn+δ-(Au,Ni)Sn共晶组织;钎焊60s时,AuSn/Ni界面产生薄而平直的(Ni,Au)3Sn2金属间化合物(IMC)层和针状(Ni,Au)3Sn2化合物;随着钎焊时间继续延长,(Ni,Au)3Sn2IMC层厚度明显增加,针状(Ni,Au)3Sn2化合物异常长大。同时,随着钎焊时间延长Ni/AuSn/Ni钎焊接头的剪切强度先增加后减小,钎焊90s时的剪切强度达到最高12.49MPa。

电迁移对Ni/Sn3.0Ag0.5Cu/Au/Pd/Ni-P倒装焊点界面反应的影响

本文研究了150℃,1.0×10~4A/cm^2条件下电迁移对Ni/Sn3.0Ag0.5Cu/Au/Pd/Ni-P倒装焊点界面反应的影响.回流后在solder/Ni和solder/Ni-P的界面上均形成(Cu,Ni)_6Sn_5类型金属间化合物.时效过程中两端界面化合物都随时间延长而增厚,且化合物类型都由(Cu,Ni)_6Sn_5转变为(Ni,Cu)_3Sn_4.电迁移过程中电子的流动方向对Ni-P层的消耗起着决定性作用.当电子从基板端流向芯片端时,电迁移促进了Ni-P层的消耗,600 h后阴极端Ni-P层全部转变为Ni_2SnP层.阴极界面处由于Ni_2SnP层的存在,使界面Cu-Sn-Ni三元金属间化合物发生电迁移脱落溶解,而且由于Ni_2SnP层与Cu焊盘的结合力较差,在Ni_2SnP/Cu界面处会形成裂纹.当电子从芯片端流向基板端时,阳极端Ni-P层并没有发生明显的消耗.电流拥挤效应导致了阴极芯片端Ni层和Cu焊盘均发生了局部快速溶解,溶解到钎料中的Cu和Ni原子沿电子运动的方向往阳极运动并在钎料中形成了大量的化合物颗粒.电迁移过程中(Au,Pd,Ni)Sn_4的聚集具有方向性,即(Au,Pd,Ni)Sn_4因电流作用而在阳极界面处聚集.