熱時效對銅核SAC305微焊點組織及性能的影響

張焱 零的應 姚宗湘 劉義凱 田佳俊 尹立孟 陳玉華

摘要：對Cu/Cu-cored+SAC305/Cu微焊點及Cu/SAC305/Cu微焊點進行不同時長的熱時效試驗。借助掃描電鏡（SEM）、動態力學分析儀（DMA）等手段，分析熱時效時間對兩種結構釬料焊點界面顯微組織及拉伸性能的影響。結果表明：隨著熱時效時間的增加，焊點界面組織晶粒逐漸粗化，IMC層逐漸增厚，焊點的抗拉強度不斷降低。與Cu/SAC305/Cu焊點相比，在熱時效時間相同的情況下，添加Cu核可以減緩焊點界面IMC的生長速率，提高焊點的抗拉強度，而對焊點微觀結構形貌的影響不顯著。經斷口分析發現，兩種焊點斷口均表現為脆性斷裂特征;但Cu/Cu-cored+SAC305/Cu焊點斷口表面有少量韌窩，表現出一定的韌性。

關鍵詞：銅核焊點;熱時效;界面化合物;抗拉強度

中圖分類號：TG421? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）07-0006-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.07.02

0? ? 前言

在高密度3D封裝中，微互連焊點趨向極小化和高密度化[1-4]，其尺寸和間距越來越小，單位面積承載的熱量越來越高，散熱變得更加困難，更高的熱處理環境對焊點界面IMC的影響愈發顯著[5-7]。為了研究焊點在熱時效作用下的可靠性，國內外學者開展了大量的工作。謝仕芳[8]等研究了Sn3.0Ag0.5Cu0.05Cr/Cu焊點界面化合物（IMC）層的熱時效形貌及生長行為，結果表明微量Cr延緩了焊點界面IMC層的生長。時效時間越長，Cr的阻抑效果越明顯。姚健[9]等研究了Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊點在373 K不同熱時效時間下焊點界面IMC的生長和抗拉強度的變化，結果表明隨著時效時間的延長，界面IMC不斷增厚。Tanie[10]研究發現，在熱循環作用下采用銅核制備的焊點斷裂時間要比常規釬料的長，主要是因為銅核焊點裂紋路徑較分散。

焊點界面IMC的形貌和厚度影響著焊點的力學性能[11-13]。目前國內外對焊點性能的研究主要集中在微量合金元素改性，對Cu核加入后形成的復合焊點性能的研究相對較少。Cu核加入后，焊點界面數量及約束方式都將發生變化，也會影響焊點的使用可靠性。為此，文中對比研究不同熱時效時間條件下Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu和Cu/Cu-cored+Sn3.0Ag0.5Cu/Cu兩種焊點界面顯微組織的演變規律，探討熱時效致焊點拉伸失效的機制，為Cu核微互連焊點的結構設計和可靠性評價提供必要的理論基礎。

1 試驗方法

采用直徑600 μm的T2純銅銅絲，Sn3.0Ag0.5Cu（SAC305）無鉛釬料和直徑φ500 μm的鍍鎳銅核球，自制夾具制備出焊點高度為600 μm的“ Cu/Cu-core+SAC305/Cu ”微焊點和“ Cu/SAC305/Cu ”微焊點，拉伸試樣的最終長度控制在60 mm左右，焊點的詳細制備過程及兩類焊點的結構見文獻[14]。

將制備好的微焊點分為Cu/SAC305/Cu焊點（SAC焊點）和Cu/Cu-core+SAC305/Cu焊點（銅核焊點）兩組，放置在恒溫熱時效箱進行時效處理，設置熱時效溫度為100 ℃，熱時效時間分別為0 h、24 h、48 h、100 h，旨在探討熱時效時間對兩種類型微焊點組織和性能的影響。將熱時效處理后的焊點進行鑲嵌，打磨拋光后使用掃描電鏡對焊點進行顯微組織觀察，采用Image-pro軟件測量界面IMC的厚度。采用DMAQ 800設備對熱時效后的焊點進行拉伸試驗，試驗溫度設定為20 ℃。采用控制力模式，加載速率設置為1 N/min。每個參數下焊點的拉伸試驗分別重復3次，將所得數據求平均值，并用SEM掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌。

2 結果與討論

2.1 熱時效對微焊點界面顯微組織的影響

由于IMC是一種脆性相， IMC過厚會導致焊點的力學性能降低甚至發生疲勞失效，因此討論兩類焊點界面IMC形貌以及厚度的變化尤為重要。Cu/SAC305/Cu和Cu/Cu-cored+SAC305/Cu微焊點在100 ℃分別經過0 h、24 h、48 h、100 h熱時效后的界面形貌分別如圖1和圖2所示。

由圖1、圖2可知，隨著熱時效時間增加，兩種焊點微觀組織均呈逐漸粗化趨勢，基體釬料中的孔洞數量有所增多。前期研究結果[11，14]顯示， Cu/Solder界面IMC為Cu6Sn5，Cu核/Solder界面IMC為（Cux，Ni1-x）6Sn5。隨著時效時間的延長，兩種結構焊點的Cu/Solder界面處的IMC厚度均逐漸增加，但界面形貌基本沒變化，SAC305釬料焊點界面呈平面狀，銅核焊點的Cu/Solder和Cu核/Solder界面主要呈扇貝狀;Cu核/Solder界面處的IMC層隨時間變化不顯著。Cu/Solder和Cu核/Solder界面IMC厚度經Image-pro軟件測量后數據見表1，并用柱狀圖3表示。

由圖3可知，兩種結構微焊點的界面IMC厚度均隨著熱時效時間的增加而不斷變厚。相對于Cu/SAC305/Cu微焊點，Cu/Cu-cored+SAC305/Cu焊點界面IMC的增長速率略慢，Cu核/Solder界面處的IMC增長速率最慢，在熱時效時間相同的條件下，Cu/Cu-cored+SAC305/Cu焊點的Cu基/Solder界面IMC層略厚，說明釬料中添加Cu核可減緩焊點界面IMC層的生長速率。Cu核/Solder界面處IMC增長速率較慢，主要是因為銅核表面的鍍Ni層對界面IMC的生長有抑制作用[15-16]，Ni元素能夠防止Sn向銅核中擴散而形成過厚的界面化合物，即降低了界面化合物（Cux，Ni1-x）6Sn5的生長速率，從而使得界面IMC層較薄。

2.2 熱時效對微焊點拉伸性能的影響

熱時效時間對兩種類型焊點的拉伸試驗結果如表2所示。

根據表2繪制的拉伸曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著熱時效時間的增加，Cu/Cu-cored+SAC305/Cu焊點及Cu/SAC305/Cu焊點的抗拉強度都出現下降，熱時效100 h后，兩種焊點的抗拉強度降低率分別為31.3%和34.0%，其主要原因是在熱時效處理中，微焊點持續處于高溫環境下，會導致其組織粗化，且隨著時間增加，粗化現象越明顯。晶粒的粗化會導致組織脆化，從而降低微焊點的抗拉強度。且Cu/Cu-cored+SAC305/Cu焊點的抗拉強度始終高于Cu/SAC305/Cu焊點。Cu核對整個微焊點起約束作用，相同熱時效條件下，Cu/SAC305/Cu焊點內部存在的微缺陷和雜質相對更多，拉伸時應力集中于缺陷處，從而導致焊點更容易被拉斷。而在Cu/Cu-cored+SAC305/Cu焊點中，一部分釬料被高質量銅核所替代，其內部缺陷較小，受到的約束作用更大，表現出更大的拉伸斷裂強度，同時由于銅核與釬料間形成了致密的（Cux，Ni1-x）6Sn5化合物，在改變約束效果的同時會使“ Cu-core/Solder ”界面的抗拉伸強度更大，從而提高了整個焊點的抗拉強度。

100℃時效100 h后Cu/SAC305/Cu和Cu/Cu-core+SAC305/Cu兩種微焊點拉伸斷裂后的斷口形貌如圖5所示。可以發現，熱時效后兩種焊點的斷口形貌均傾向于解理斷裂，說明斷裂方式均為脆性斷裂。而在Cu/Cu-core+SAC305/Cu焊點斷口處發現有少量韌窩，表現為一定的韌性斷裂，表明銅核加入后可提高焊點的韌性。

3 結論

（1）隨著熱時效時間增加，兩種焊點的界面顯微組織明顯粗化，且孔洞等缺陷增多，界面IMC層平均厚度增加。相較于SAC微焊點，Cu核微焊點界面IMC的增長速率較慢。

（2）隨著熱時效時間增加，Cu/Cu-core+SAC305/Cu焊點及Cu/SAC305/Cu焊點的抗拉強度均下降，但Cu/Cu-core+SAC305/Cu微焊點的抗拉強度始終高于Cu/SAC305/Cu微焊點，這是因為銅核對整個焊點起著約束作用，同時與釬料間形成了致密的（Cux，Ni1-x）6Sn5化合物，使得銅核焊點的抗拉伸強度增加。

（3）相對于 Cu/SAC305/Cu焊點，經 100 h 時效后 Cu/Cu-core+SAC305/Cu焊點斷口存在少量韌窩，表明銅核的加入提高了釬焊焊點的韌性。

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