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      Ni-Sn-Ni焊點(diǎn)界面金屬間化合物的微觀形貌演變研究

      2023-06-07 14:45:14趙志豪李五岳李國(guó)俊田野
      河南科技 2023年10期

      趙志豪 李五岳 李國(guó)俊 田野

      摘 要:【目的】研究Ni-Sn-Ni微焊點(diǎn)在固液反應(yīng)條件下界面金屬間化合物(Intermetallic Compounds,IMCs)的生長(zhǎng)及形貌變化?!痉椒ā坎捎镁軍A具調(diào)控的Ni-Sn(20 μm)-Ni作為樣品,通過(guò)SEM觀察等溫條件下Ni-Sn-Ni不同時(shí)間點(diǎn)橫截面的微觀組織結(jié)構(gòu),并通過(guò)EDX對(duì)界面處生成的IMCs進(jìn)行分析?!窘Y(jié)果】在Ni-Sn反應(yīng)的界面處僅生成一種單相IMCs,為Ni3Sn4,該界面IMCs的生長(zhǎng)速度由快變慢最后趨于平緩。此外,界面IMCs的形貌隨時(shí)間由針狀轉(zhuǎn)變?yōu)榘魻詈笤俎D(zhuǎn)變?yōu)閴K狀?!窘Y(jié)論】在Ni-Sn固液反應(yīng)中,界面IMCs的生長(zhǎng)速度及形貌隨鍵合時(shí)間的增加發(fā)生顯著變化。

      關(guān)鍵詞:Ni-Sn-Ni微焊點(diǎn);界面反應(yīng);金屬間化合物

      中圖分類(lèi)號(hào):TG454? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? ? ? ? 文章編號(hào):1003-5168(2023)10-0088-04

      DOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.018

      Abstract: [Purposes] In this paper, the growth and morphology changes of interfacial intermetallic compounds (IMCs) in Ni-Sn-Ni micro-solder joints under solid-liquid reaction conditions were studied. [Methods] In this experiment, Ni-Sn (20 μm)-Ni regulated by precision fixtures were used as the sample, the microstructure of the cross-section of Ni-Sn-Ni at different time points under isothermal conditions was observed by SEM, and the IMCs generated at the interface were analyzed by EDX. [Findings] Only a single-phase IMCs Ni3Sn4 was formed at the interface of Ni-Sn reaction, and the growthrate of IMCs at the interface changed from fast to slow and finally flattened. In addition, the morphology of interfacial IMCs changes from needle-like to rod-like and then to bulk-like with time. [Conclusions] During the Ni-Sn solid-liquid reaction, the growth rate and morphology of interfacial IMCs changed significantly with the increase in bonding time.

      Keywords: Ni-Sn-Ni micro-solder joints; interface reaction; intermetallic compound

      0 引言

      物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及5G等技術(shù)的快速發(fā)展要求芯片性能更高、尺寸更小、可靠性更好。而二維封裝已經(jīng)不能滿足芯片未來(lái)發(fā)展的需求[1]?;诠柰准夹g(shù)的三維封裝技術(shù)因具有高集成度、低功耗和高運(yùn)行速率,將成為未來(lái)發(fā)展的主流方向[2-3]。

      在三維封裝中,隨著芯片不斷向多功能化、微小化的方向發(fā)展,導(dǎo)致微焊點(diǎn)的尺寸不斷減小。而微焊點(diǎn)尺寸的減小將直接導(dǎo)致微焊點(diǎn)中金屬間化合物(Intermetallic Compounds,IMCs)的比例顯著增加,進(jìn)而使IMCs的性能成為影響微焊點(diǎn)性能的決定性因素之一。影響IMCs性能的因素主要有IMCs的材料、IMCs的生長(zhǎng)等[4]。Ni通常作為焊盤(pán)中的擴(kuò)散阻擋層,所以在Sn釬料微焊點(diǎn)中常出現(xiàn)Ni-Sn-Ni微互連結(jié)構(gòu)[5]。因此,研究Ni-Sn-Ni焊點(diǎn)界面IMCs的微觀形貌演變具有重要意義。

      目前Wang等[6]研究了在280 ℃的鍵合溫度下Ni-Sn-Ni焊點(diǎn)在不同互連高度下的微觀形貌,發(fā)現(xiàn)其微觀形貌主要由針狀及塊狀兩種IMCs。華中科技大學(xué)的王波等[7]研究了不同互連高度下Cu-Sn-Cu微焊點(diǎn)的微觀組織變化,發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)互連高度越低,IMCs生長(zhǎng)速度和IMCs比例升高得越快。而關(guān)于研究Ni-Sn-Ni微互連結(jié)構(gòu)的相關(guān)文獻(xiàn)較少,因此有必要研究Ni-Sn-Ni焊點(diǎn)在互連高度為20 μm下的生長(zhǎng)演變過(guò)程,進(jìn)而為倒裝芯片的電子封裝提供更多的理論依據(jù)。

      本研究通過(guò)在等溫條件(265 ℃)下不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)(7 min、21 min、50 min和87 min)的Ni-Sn(20 μm)-Ni微焊點(diǎn)的橫截面SEM,研究了Ni-Sn-Ni結(jié)構(gòu)中IMCs的厚度及微觀形貌,進(jìn)而得出Ni-Sn-Ni微焊點(diǎn)界面金屬間化合物微觀形貌的演變情況。

      1 試驗(yàn)過(guò)程及方法

      試驗(yàn)所用材料為N6級(jí)鎳棒(純度99.9%,長(zhǎng)度17 mm,直徑1 mm),釬料為Sn片(純度99.9%,規(guī)格10 mm×10 mm×0.03 mm)。使用自制的精密夾具將鎳棒的拋光端面對(duì)齊并固定,在Sn片上涂抹助焊劑后夾持在兩根鎳棒的中間。隨后旋轉(zhuǎn)夾具旋鈕控制其互連高度為20 μm。

      將制備好的Ni-Sn(20 μm)-Ni微互連結(jié)構(gòu)放進(jìn)回流爐內(nèi)回流,在Sn片熔化30 s后取出,使用冷風(fēng)槍迅速冷卻至室溫,得到互連高度為20 μm的初始回流樣。隨后將制備好的初始回流樣放置在預(yù)熱平臺(tái)上分別恒溫7 min、21 min、50 min及87 min后取下,用冷水冷卻至室溫。

      將冷卻至室溫的不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的樣品鑲嵌進(jìn)環(huán)氧樹(shù)脂中,先使用砂紙磨削,之后依次使用懸浮顆粒為1 μm、0.3 μm、0.05 μm的氧化鋁拋光液進(jìn)行拋光。在拋光后使用自制腐蝕液(鹽酸體積分?jǐn)?shù)為1%的鹽酸乙醇溶液)對(duì)樣品橫截面進(jìn)行腐蝕,腐蝕時(shí)間為5 s。最后采用德國(guó)Zeiss公司的Sigma-500型號(hào)的掃描電子顯微鏡對(duì)微焊點(diǎn)的微觀形貌進(jìn)行表征,再采用ImageJ對(duì)SEM圖進(jìn)行測(cè)量。

      2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

      2.1 回流過(guò)程中Ni-Sn-Ni微焊點(diǎn)的微觀組織結(jié)構(gòu)

      經(jīng)過(guò)回流工藝后Ni-Sn(20 μm)-Ni初始焊點(diǎn)在SEM下的微觀形貌如圖1所示。由圖1可以看出,在Ni-Sn界面處的IMCs呈棒狀和小塊狀連續(xù)均勻分布,通過(guò)ImageJ軟件測(cè)量后可得Ni-Sn界面兩側(cè)IMCs平均厚度分別為0.40 μm和0.42 μm,可以看出Ni-Sn(20 μm)-Ni經(jīng)過(guò)初始回流后在微焊點(diǎn)兩側(cè)界面處生成的IMCs非常小,對(duì)后續(xù)等溫試驗(yàn)中IMCs的生長(zhǎng)幾乎不產(chǎn)生影響。

      Ni-Sn界面生成的IMCs的EDX曲線如圖2所示。由圖2可以看出,Ni與Sn的原子比接近3∶4。Ni-Sn二元相如圖3所示,由圖3可知界面處IMCs為Ni3Sn4。本試驗(yàn)為縮減實(shí)際鍵合時(shí)間與理論鍵合時(shí)間之間的差值,在冷卻階段使用冷風(fēng)槍對(duì)樣品進(jìn)行快速冷卻,這樣有效避免從預(yù)熱平臺(tái)上取下后夾具還具備一定的溫度,不會(huì)導(dǎo)致Ni-Sn反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。

      2.2 等溫時(shí)效過(guò)程N(yùn)i-Sn-Ni微焊點(diǎn)的微觀組織結(jié)構(gòu)演變

      Ni-Sn-Ni微互連在不同等溫時(shí)間下橫截面的SEM如圖4所示。反應(yīng)時(shí)間為7 min時(shí)的微觀形貌如圖4(a)所示,由圖4(a)可以看出,在微焊點(diǎn)的兩側(cè)形成一層薄薄的IMCs,并且IMCs的形貌大多為針狀。反應(yīng)時(shí)間為21 min時(shí)的微觀形貌如圖4(b)所示,由圖4(b)可以看出,此時(shí)IMCs的厚度遠(yuǎn)大于7 min時(shí)IMCs的厚度,此時(shí)IMCs的形貌大多為細(xì)棒狀,少量的IMCs為小塊狀。反應(yīng)時(shí)間為50 min時(shí)的微觀形貌如圖4(c)所示,由圖4(c)可以看出,此時(shí)IMCs的厚度大于21 min時(shí)IMCs的厚度,此時(shí)IMCs的形貌大多為粗棒狀,并且已經(jīng)出現(xiàn)較大的塊狀I(lǐng)MCs。反應(yīng)時(shí)間為87 min時(shí)的微觀形貌如圖4(d)所示,由圖4(d)可以看出,此時(shí)IMCs的厚度大于50 min時(shí)IMCs的厚度,此時(shí)IMCs的形貌大多為塊狀,僅有少量為棒狀I(lǐng)MCs,并且焊縫兩側(cè)部分區(qū)域的IMCs連接形成一個(gè)IMCs。

      Ni-Sn-Ni微互連結(jié)構(gòu)中IMCs的平均厚度與時(shí)間的曲線如圖5所示。由圖5可以看出,IMCs的厚度在21 min前增加十分迅速,在21 min后IMCs的厚度增加逐漸變緩。

      IMCs的厚度增速變化是由于Ni原子進(jìn)入Sn釬料中的難度不斷增加。首先,當(dāng)焊縫處的溫度達(dá)到Sn釬料的熔點(diǎn)時(shí),Sn釬料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。由于在Ni-Sn邊界處存在大量的Ni原子,而在Sn釬料內(nèi)部卻沒(méi)有Ni原子存在,因此在Sn釬料中產(chǎn)生Ni原子的濃度差。濃度差的存在導(dǎo)致Ni原子不斷向液態(tài)Sn釬料中擴(kuò)散,而在界面處由于存在大量的Ni原子與Sn原子,會(huì)快速達(dá)到過(guò)飽和濃度,進(jìn)而在界面處快速反應(yīng)生成IMCs。然后,在反應(yīng)時(shí)間為7 min時(shí),IMCs層的底部形成閉合區(qū)域,形成Ni-Ni3Sn4-Sn-Ni3Sn4-Ni結(jié)構(gòu),在Ni原子進(jìn)入Sn釬料的路徑中增加了薄薄的IMCs層,這導(dǎo)致IMCs厚度的增加速度略微下降。最后,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,IMCs層底部的閉合區(qū)域不斷增厚,這也就導(dǎo)致 IMCs厚度的增加速度不斷下降。

      綜上所述,在Ni-Sn反應(yīng)中主要出現(xiàn)了針狀、棒狀及塊狀三種形貌的IMCs。在反應(yīng)前期,IMCs生長(zhǎng)速度較快并形成以針狀I(lǐng)MCs占據(jù)主導(dǎo)的薄IMCs層。隨著反應(yīng)時(shí)間的增加,針狀的IMCs逐漸變粗形成細(xì)棒狀I(lǐng)MCs,并在IMCs底端形成閉合區(qū)域,使Ni原子進(jìn)入熔融Sn釬料中的難度增加,導(dǎo)致反應(yīng)速率下降。在反應(yīng)后期,IMCs層中的部分棒狀轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀,出現(xiàn)了直接連接兩側(cè)Ni焊盤(pán)的大塊IMCs。

      Ni-Sn-Ni焊點(diǎn)的固-液界面反應(yīng)的IMCs生長(zhǎng)速度比Cu-Sn-Cu焊點(diǎn)更慢,因此可以在芯片服役過(guò)程中保持可靠更長(zhǎng)時(shí)間。此外,Ni-Sn-Ni焊點(diǎn)在鍵合溫度為265 ℃下界面反應(yīng)生成的相是單一的Ni3Sn4相,而Cu-Sn-Cu界面反應(yīng)容易產(chǎn)生相界裂紋的Cu6Sn5和Cu3Sn雙相。因此,Ni-Sn(20 μm)-Ni微焊點(diǎn)在長(zhǎng)期高溫服役的電子元件中比Cu-Sn制備的微焊點(diǎn)具有更長(zhǎng)的服役時(shí)間和更高的可靠性。

      3 結(jié)論

      通過(guò)在265 ℃不同固-液界面反應(yīng)時(shí)間下制備樣品,研究Ni-Sn-Ni微互連結(jié)構(gòu)在等溫條件下的微觀形貌演變,可以得出以下結(jié)論:①Ni-Sn反應(yīng)生成的IMCs層厚度隨反應(yīng)時(shí)間的增加而增加;②Ni-Sn反應(yīng)前期速度較快,在底層IMCs閉合后反應(yīng)速度逐漸放緩;③Ni-Sn反應(yīng)生成的IMCs形貌演變由前期的細(xì)針狀逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹衅诘募?xì)棒狀再到最后的塊狀;④當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后,兩側(cè)的Ni焊盤(pán)由Ni3Sn4連接,此時(shí)微焊點(diǎn)的力學(xué)性能主要由Ni3Sn4的力學(xué)性能決定。

      參考文獻(xiàn):

      [1]張園園.基于SiP技術(shù)AI芯片封裝關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京:南京郵電大學(xué),2022.

      [2]賈東生,李海柱,馬玉琳,等.基于有限元模擬的微銅柱互連點(diǎn)熱失效分析[J].河南科技,2022,41(5):41-44.

      [3]冉紅雷,彭浩,黃杰.三維封裝微系統(tǒng)中TSV技術(shù)研究[J].電子質(zhì)量,2018(12):111-115.

      [4]丁超.金屬間化合物的力學(xué)性能及各向異性與形貌對(duì)微焊點(diǎn)拉伸力學(xué)行為的影響[D].桂林:桂林電子科技大學(xué),2022.

      [5]方恒.溫度梯度輔助全I(xiàn)MCs微互連點(diǎn)制備及顯微組織研究[D].鄭州:河南工業(yè)大學(xué),2020.

      [6]WANG C H,LIU J L. Effects of Sn thickness on morphology and evolution of Ni3Sn4 grains formed between molten Sn and Ni substrate[J]. Intermetallics,2015,61:9-15.

      [7]王波,莫麗萍,吳豐順,等.微小互連高度下的電子封裝焊點(diǎn)微觀組織[J].焊接學(xué)報(bào),2011,32(12):25-28,114.

      收稿日期:2023-02-06

      作者簡(jiǎn)介:趙志豪(1997—),男,碩士生,研究方向:微互連工藝及可靠性。

      通信作者:田野(1981—),男,博士,教授,研究方向:集成電路系統(tǒng)集成。

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