Cu_Sn_Ni焊点界面金属间化合物的生长及演变_游飞翔.pdf

河南科技Henan Science and Technology化工与材料工程总第806期第12期2023年6月Cu/Sn/Ni焊点界面金属间化合物的生长及演变游飞翔1李五岳1李国俊2田野1（1.河南工业大学，河南郑州450001；2.河南中光学集团有限公司，河南南阳473004）摘要：【目的目的】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。【方法方法】使用扫描电镜对焊点进行观察和分析。【结果结果】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。关键词：Cu/Sn/Ni焊点；金属间化合物；界面反应中图分类号：TG454文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）12-0085-04DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.12.016Growth and Evolution of Intermetallic Compounds at the Interface ofCu/Sn/Ni Solder JointsYOU Feixiang1LI Wuyue1LI Guojun2TIAN Ye1(1.Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China;2.Henan Costar Group Co.,Ltd.,Nanyang 473004,China)Abstract:Purposes This article aims to investigate the growth trend and morphological evolution of intermetallic compounds(IMCs)at the interface of Cu/Sn/Ni solder joints during the bonding process at265.Methods Scanning electron microscopy was used to observe and analyze the solder joints.Findings The total thickness of the IMCs at the interface continuously increased with the increase ofbonding time.Under the interaction of Cu-Ni,the interface morphology evolution and growth rate of theIMCs on both sides of Cu/Sn and Ni/Sn showed different characteristics.Among the four time points ofisothermal reflow,the growth rate of the IMCs on the Cu/Sn side exhibited a trend of fast-slow-fast,while on the Ni/Sn side it was slow-fast-slow.In addition,there were significant differences in the microscopic morphology of the IMCs on the Cu/Sn and Ni/Sn sides at the four time points of isothermal reflowin Cu/Sn/Ni solder joints.Conclusions In summary,this study provides valuable reference for a betterunderstanding of the growth law of IMCs at the interface of solder joints.Keywords:Cu/Sn/Ni solder joint;intermetallic compound;interface reaction收稿日期：2023-02-06作者简介：游飞翔（1995），男，硕士，研究方向：微互连工艺及可靠性。通信作者：田野（1981），男，博士，教授，研究方向：集成电路系统集成。86第12期0引言在集成电路封装技术中，Cu和Ni常作为倒装芯片凸点下金属层（UBM），被广泛使用，Cu/Sn/Ni三明治焊点已经成为芯片的常用封装结构1。近年来，在摩尔定律的推动下，电子产品朝着多功能、高密度和微型化趋势发展，微焊点尺寸已经达到微米级2。随着微焊点尺寸不断减小，由液态钎料与固态金属焊盘通过固液界面反应生成的金属间化合物（Intermetallic Compound，IMC）的比例不断增加，使IMC逐渐成为影响微焊点可靠性和使用寿命的重要因素。近年来，国内外对Cu/Sn/Ni焊点的界面反应进行了诸多研究。其中黄明亮等3研究了Cu-Ni交互作用对Cu/Sn/Ni焊点界面IMC层厚度的影响，以及Cu/Sn/Ni焊点可靠性降低的原因。还有部分学者研究了Cu/Sn/Ni焊点的服役性能和可靠性，董红杰等4则是通过制备Cu/Sn/Ni全IMC焊点，证明焊点的重熔温度和平均剪切强度符合高温功率器件封装中的互连需求。虽然部分学者对大尺寸封装结构下 Cu/Sn/Ni焊点的界面 IMC演变和焊点力学性能进行了研究5，但是对窄间距条件下的Cu/Sn/Ni焊点中的界面IMC生长变化和形貌演变的研究尚不充分，界面反应过程中Cu和Ni对窄间距互连中IMC的交互影响方面仍需要进一步探究。本试验制备了互连高度为 20 m 的 Cu/Sn/Ni微焊点，通过在加热平台上等温加热不同时间，得到各个时间节点下的IMC形貌和IMC层厚度，来研究回流时间对 Cu/Sn/Ni焊点两侧界面上 IMC生长速度和形貌的区别，从而分析Cu-Ni交互作用对界面IMC生长过程的影响。1试验方法试验所用材料为T2级紫铜棒（纯度99.9%，长度17 mm，直径1 mm）和N6镍棒（纯度99.9%，长度17 mm，直径1 mm）。使用的钎料为10 mm10 mm0.03 mm的纯锡薄片（纯度99.99%），铜棒和镍棒端面已抛光。使用自制的夹具固定铜棒和镍棒，涂抹助焊剂后，用端面夹紧锡片，调整夹具刻度直至互连高度为20 m。然后把夹具放在无铅回流焊机（HW-R108NC）中进行初步键合，在Sn片熔化30 s后取下，再使用冷水将初始回流样冷却至室温。随后将初始回流样放置于加热平台上，平台参数设定为265，从Sn片熔化开始计时，加热时间分别为6 min、13 min、21 min、31 min，再将样品取下来并使用水冷装置冷却至室温。各个样品在平台上加热时间再加上30 s即为界面反应时间。首先，利用环氧树脂将冷却至室温后的样品利用冷镶嵌进行固定，使用砂纸对样品进行粗磨和细磨。然后，使用颗粒直径为1 m、0.3 m、0.05 m的氧化铝悬浮抛光液对样品横截面进行抛光；再使用1%盐酸-99%酒精（体积分数）的腐蚀液对样品横截面进行腐蚀，腐蚀时间为3 s。最后，采用蔡司Sigma-500型号扫描电子显微镜对界面IMC的微观组织形貌进行图像拍摄，采用ImageJ图像处理软件对SEM图进行测量分析。为使界面IMC层厚度的数据更加准确，每张图片测量3次，然后取平均值。2结果与分析2.1不同反应时间下的Cu/Sn/Ni横截面微观结构Cu/Sn/Ni 焊点在265 下回流键合30 s后的横截面SEM如图1所示。由图1可知，Cu/Sn界面IMC形貌为扇贝状，Ni/Sn界面IMC形貌为棒状，Cu焊盘和Ni焊盘之间互连效果良好，互连高度为20 m。Cu/Sn界面IMC为Cu6Sn5，IMC层厚度为1.0 m，Ni/Sn界面IMC为Ni3Sn4，IMC层厚度为0.6 m。在界面反应30 s的样品中，Cu和Ni的元素成分都没有穿过Sn钎料到达另一端对IMC形貌和生长产生影响。因此，在较短时间的键合下两侧的Cu、Ni不存在交互作用。Cu/Sn/Ni焊点在265 回流不同时间后的横截面微观组织SEM如图2所示。由图2可知，底部灰色区域为Ni端，顶部灰色区域为Cu端。如图2（a）所示，在微焊点的两侧形成一层较薄的IMCs，Cu/Sn端IMC形貌为紧密排列的短棒状，另一端则表征为图1等温265 键合30 s后Cu/Sn/Ni焊点横截面SEM游飞翔，等.Cu/Sn/Ni焊点界面金属间化合物的生长及演变第12期87细棒状和粗棒针交错排列，Cu/Sn端IMC厚度比Ni/Sn 端更厚，两端的金属间化合物都为(Cu,Ni)6Sn5。使用ImageJ软件得出Cu/Sn侧和Ni/Sn侧IMC厚度分别为5.3 m和3.4 m。当界面反应时间为13.5 min时，如图2（b）所示，可以明显观察到两侧界面IMC层厚度变得更厚，且Ni/Sn侧IMC生长速度比Cu/Sn侧更快，Cu/Sn侧和Ni/Sn侧IMC厚度分别为6.0 m和4.4 m。Ni/Sn侧块状增多，Cu/Sn侧IMC晶粒之间空隙缩小，Cu/Sn端IMC厚度比Ni/Sn端更厚。当加热时间增加到21.5 min时，如图2（c）所示，Cu/Sn侧和Ni/Sn侧IMC厚度增长明显，IMC厚度分别为7.2 m和7.0 m，两端IMC层厚度基本接近。Cu/Sn界面IMC晶粒尺度有明显增长，而Ni/Sn侧晶粒融合长大形成大尺度晶粒，个别大块晶粒在Sn钎料内部已经汇合。当等温时间为31.5 min时，如图2（d）所示，(Cu,Ni)6Sn5基本生长满微焊点内部，Cu/Sn 侧IMC和Ni/Sn侧IMC生长到相互接触融合，Cu/Sn和Ni/Sn界面IMC厚度分别为9.3 m和10.2 m，Ni/Sn侧IMC厚度已经反超Cu/Sn侧。但是Cu/Sn和Ni/Sn两侧IMC微观形貌有明显区别，Cu/Sn侧IMC晶粒为大块状，而Ni/Sn侧除大块晶粒外还有很多细小晶粒存在。2.2Cu/Sn/Ni横截面不同区域的形貌焊点界面IMC中Ni元素含量的变化会影响界面IMC微观形貌6。265 下界面反应31.5 min的Cu/Sn/Ni横截面如图2（d）所示，样品的EDS数据见表 1，其中点 A 靠近 Cu/Sn 边界，点 B 靠近 Ni/Sn 边界。计算数据得出，此时Cu/Sn侧和Ni/Sn侧IMC均为(Cu,Ni)6Sn5，但是不同位置 IMC 的 Cu、Ni含量差距很大。其中 Cu/Sn 侧 IMC 的 Cu、Ni 含量分别为46.5 at.%、7.5 at.%，Ni/Sn侧IMC的Cu、Ni含量分别为39.3 at.%、15.9 at.%。EDS结果表明，Cu和Ni原子的相互扩散对界面微观组织形貌有着决定性作用。随着回流时间的不断增加，Cu原子和Ni原子进一步与Sn钎料层发生界面反应，Ni侧 IMC 和 Cu侧 IMC 因 Cu、Ni含量的差别，微观形貌有着一定的差别。随着回流时间的不断增加，两侧IMC生长到接触融合，但是不同位置的IMC形貌也有着明显差异。表1界面反应31.5 min时的界面IMC成分组成时间31.5 minCu/Sn界面IMC（A）Cu Ni Sn（at.%）46.5 7.5 46.0Ni/Sn界面IMC（B）Cu Ni Sn（at.%）39.3 15.9 44.8游飞翔，等.Cu/Sn/Ni焊点界面金属间化合物的生长及演变图2265 下不同回流时间的Cu/Sn/Ni横截面IMC形貌（a）6.5 min（b）13.5 min（c）21.5 min（d）31.5 min88第12期2.3Cu/Sn/Ni两侧界面IMC的生长速率使用ImageJ软件对图2（a）至图2（d）进行两端界面IMC厚度的测量，所得数据如图3所示。由图3可以看出，两侧界面总IMC厚度随着固液界面反应时间的增加而增加，界面反应在0.5 min、6.5 min、13.5 min、21.5 min 和 31.5 min，各时间点 IMC 总厚度分别为1.6 m、8.7 m、10.4 m、14.2 m、19.5 m。在界面反应31.5 min时，Cu/Sn/Ni两侧界面IMC已相互接触融合。如图3所示，前两个时间节点，两侧IMC未生长到接触，Cu/Sn固液界面反应速度比Ni/Sn快得多，因此Cu/Sn侧IMC厚度大于Ni/Sn厚度；随着回流时间的增加，两侧界面IMC接近直至相互融合，Cu原子更快地扩散到Ni端，Ni/Sn端IMC生长速度大大加快，Ni/Sn端IMC厚度反超Cu/Sn界面IMC厚度。Cu和Ni焊盘的交互作用显著影响着界面IMC的微观形貌和IMC的生长速度，从而改变焊点的力学性能和可靠性。一方面，界面IMC主体为（Cu,Ni）6Sn5相，弹性模量和剪切模量分别为 132.5145.8 GPa和73.2393.8 GPa，Cu6Sn5的弹性模量和剪切模量分别为 123.3 GPa 和 35.947.43 GPa，相比而言，（Cu,Ni）6Sn5有着更高的弹性模量和抗剪强度4,7。另一方面，Cu/Sn/Ni焊点界面 IMC 生长速度比 Cu/Sn焊点更慢，这避免了界面IMC快速生长而导致焊点可靠性下降，进而影响焊点使用寿命。3结论在 Cu/Sn/Ni 焊点等温回流过程中，由于Cu-Ni 的交互作用，Cu/Sn 和 Ni/Sn 界面都会生成（Cu,Ni）6Sn5，但会因IMC位于焊点的相对位置不同从而形成不同Cu、Ni元素含量的（Cu,Ni）6Sn5。Cu/Sn侧IMC生长速度先快后慢，而Ni/Sn侧IMC生长速度先慢后快。在等温回流时间为6.5 min和13.5 min时，Cu/Sn侧IMC厚度大于Ni/Sn侧IMC厚度；在回流21.5 min时，Ni/Sn侧IMC厚度与Cu/Sn侧IMC厚度基本相同；在固液界面反应31.5min时，Cu/Sn侧和Ni/Sn侧IMC厚度分别为9.3m和10.2 m。Cu/Sn/Ni固液界面反应过程中，在Cu-Ni交互作用影响下，Cu/Sn和Ni/Sn侧IMC因不同的Cu、Ni元素含量会有不同的界面IMC形貌，这提高了焊点的力学性能和可靠性。参考文献：1 DONG H J，LI Z L，SONG X G，et al.Grain morphology and mechanical strength of high-melting-temperature intermetallic joints formed in asymmetrical Ni/Sn/Cu system using transient liquid phase soldering processJ.Journal of Alloys and Compounds，2017，723：1026-1031.2 陶逸诗.取向铜、镍镀层对键合界面反应的影响D.上海：上海交通大学，2015.3 黄明亮，陈雷达，赵宁.Cu-Ni交互作用对Cu/Sn/Ni焊点液固界面反应的影响J.中国有色金属学报，2013，23（4）：1073-1078.4 董红杰，赵洪运，宋晓国，等.Ni-Cu低温TLP扩散连接接头组织及性能 J.焊接学报，2017，38（10）：125-128，134.5 WANG Y W，SHIH W L，HUNG H T，et al.Reaction within Ni/Sn/Cu microjoints for chip-stacking applications J.Journal of Electronic Materials，2019，48（1）：25-31.6 TAN X F，GU Q F，BERMINGHAM M，et al.Systematic investigation of the 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