【摘要】：隨著集成電路中互連焊點微型化及互連材料無鉛化的發(fā)展趨勢,微電子工業(yè)界對互連焊點的可靠性越來越重視。影響互聯(lián)焊點可靠性的最關(guān)鍵因素是界面反應(yīng),因此,對無鉛釬料的界面反應(yīng)展開深入研究具有重要意義。Sn-Bi系無鉛釬料以其熔點低、潤濕性好等特性被認(rèn)為是傳統(tǒng)Sn-Pb釬料的理想替代品并已在工業(yè)中得到應(yīng)用。本文以熔點最接近Sn-37Pb的Sn-35Bi-1Ag無鉛釬料為研究載體,分別選取電子工業(yè)中廣泛使用的Cu、Ni-P/Cu為焊盤金屬層,對兩種典型Sn-35Bi-1Ag無鉛焊點的界面反應(yīng)進(jìn)行了研究,針對焊點服役過程產(chǎn)生的缺陷,提出以Ni-Co-P改性層取代傳統(tǒng)Ni-P擴散阻擋層的解決方案,并探究了Ni-Co-P鍍層對焊點界面反應(yīng)的影響。相關(guān)研究內(nèi)容如下:(1)Sn-35Bi-1Ag/Cu的焊點界面反應(yīng)研究。研究了Sn-35Bi-1Ag/Cu的焊點微觀組織演變、界面IMC的生長行為及晶粒粗化行為,結(jié)果表明回流后的界面為扇貝狀Cu_6Sn_5層,時效過程中Cu_6Sn_5層不斷變厚,并有很薄的Cu_3Sn層出現(xiàn)在Cu_6Sn_5/Cu界面,最終的界面為較厚的層狀Cu_6Sn_5和較薄的Cu_3Sn層。在Cu_3Sn生長過程中,界面處有Bi偏析和Kirkendall空洞出現(xiàn),對焊點可靠性產(chǎn)生削弱作用。IMC層的生長動力學(xué)結(jié)果顯示,130℃和150℃時效溫度的IMC生長速率常數(shù)分別為0.0993 um/h~(0.5)和0.1413 um/h~(0.5),可見焊點服役溫度不同,IMC生長速度也不一樣。150℃的時效溫度下,Cu_6Sn_5和Ag_3Sn晶粒的生長指數(shù)分別為0.2388和0.3370,可見晶粒的粗化行為與晶粒種類有密切關(guān)系。(2)Sn-35Bi-1Ag/Ni-P/Cu焊點界面反應(yīng)研究。通過制備薄(約1 um)、中(約5um)、厚(約10 um)三種Ni-P鍍層,研究擴散阻擋層厚度對界面反應(yīng)的影響。結(jié)果表明,經(jīng)回流與時效后,薄鍍層焊點界面最終呈現(xiàn)復(fù)合層狀結(jié)構(gòu)(Cu,Ni)_6Sn_5+Ni_2SnP+(Cu,Ni)_6Sn_5,而中、厚鍍層的焊點界面最終均為(Ni,Cu)_3Sn_4+Ni_2SnP+Ni_3P的復(fù)合層狀結(jié)構(gòu)。非晶態(tài)Ni-P鍍層時效過程中因消耗而逐漸轉(zhuǎn)化為Ni_3P晶化層,Ni_3P層增厚過程中內(nèi)部伴隨大量空洞或微裂紋出現(xiàn),當(dāng)Ni-P層全部轉(zhuǎn)化為Ni_3P后,Ni_3P繼續(xù)被消耗形成較為穩(wěn)定的Ni_2SnP化合物。生長動力學(xué)結(jié)果表明,薄、中、厚三種鍍層的焊點界面IMC層的生長速率常數(shù)分別為0.4040 um/h~(0.5),0.1137 um/h~(0.5),0.4399 um/h~(0.5),因此,中等厚度(約5 um)的Ni-P鍍層能符合最佳焊盤厚度參數(shù)指標(biāo)。(3)Sn-35Bi-1Ag/Ni-Co-P/Cu焊點界面反應(yīng)研究。具體對Ni-Co-P焊點服役過程中的界面微觀組織結(jié)構(gòu)、IMC生長行為進(jìn)行了研究,并與同等條件的Cu、Ni-P焊點進(jìn)行橫向?qū)Ρ�。結(jié)果表明,Sn-35Bi-1Ag/Ni-Co-P/Cu焊點時效階段界面IMC始終為(Ni,Co)_3Sn_4,未見Cu固溶物。(Ni,Co)_3Sn_4層增厚過程中,Ni-Co-P持續(xù)消耗生成(Ni,Co)_3P,鍍層始終保持良好的阻擴散性能,且無空洞、微裂紋出現(xiàn),界面層未見Bi偏析現(xiàn)象。進(jìn)一步的生長動力學(xué)結(jié)果顯示,150℃固態(tài)時效的Ni-Co-P焊點界面IMC層的生長速率常數(shù)為0.09843 um/h~(0.5),低于同等條件的Cu及Ni-P焊點中IMC層生長速率常數(shù)。Co元素有效減緩了焊接及服役階段Ni-P鍍層的晶化行為,提高了Ni-Co-P層的擴散阻擋效果,使焊點中IMC生長受到抑制。
【學(xué)位授予單位】：南昌大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN405;TG40
【圖文】：

圖1-1分級封裝示意圖

第 1 章 緒論中主要通過引線鍵合，載帶自動焊和倒裝鍵合技術(shù)間的結(jié)合[2-4]。引線鍵合技術(shù)和載帶自動焊均用金或別在于，引線鍵合中的連接點是逐次形成的，載帶現(xiàn)互聯(lián)焊點一步成型[5,6]。倒裝鍵合技術(shù)應(yīng)用焊球與上直接制備焊球點陣，基板處沉積合適金屬層，再上，如圖 1-2 所示。倒裝鍵合技術(shù)一般采用蒸發(fā)與電得到的金屬層為接觸層，可焊層與阻擴散層組成的成了焊點下金屬層，它們用于改善釬焊界面潤濕性Ni 是最重要的焊點下金屬層材料，可焊層與接觸層界面[8]，Ni 因與釬料反應(yīng)速率小，常用作阻擴散層u 層因消耗變薄，Ni 逐步參與到焊料中反應(yīng)。通常為 Ni 層上鍍覆上薄的 Au 層。

Bi 系無鉛釬料及其研究現(xiàn)狀-Bi 系無鉛釬料基本性能-5 所示為 Sn-Bi 二元合金相圖，根據(jù)圖示共晶點可知 Sn-Bi 二是 Sn-57 wt% Bi，其熔化溫度為 138℃，低于傳統(tǒng) Sn-Pb 釬料料的低熔點特性，使其具有很好的工藝兼容性，在外層的分級感處的封裝，都不用擔(dān)心釬焊溫度過高而損壞元件。封裝焊點素構(gòu)成的接頭，存在材料之間的熱膨脹系數(shù)差異，這對功能連為不利的。低熔點 Sn-Bi 釬料在較低溫度下與電子元件或電路小高溫效應(yīng)下材料熱膨脹系數(shù)不匹配所造成的焊點殘余應(yīng)力的用 Sn-Bi 焊料合金進(jìn)行焊接，能有效提高焊接層的焊接工藝氣較為均勻。當(dāng)鍵合區(qū)沒有或較少出現(xiàn)氣泡、焊縫夾渣等缺陷時劑額污染，滿足低溫氣密性封裝的基本要求[28]。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2763369