Sn-3.0Ag-0.5Cu/ENEPIG焊點(diǎn)界面反應(yīng)及剪切性能的尺寸效應(yīng)

于鳳云，劉 浩，杜彥鳳

(大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，大連 116024)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電子消費(fèi)產(chǎn)品要求具有更好的性能、更多的功能、更小的尺寸，這使得微電子工業(yè)逐步進(jìn)入集成電路(Integrated Circuit，IC)的后摩爾定律時(shí)代，而三維(3D)IC封裝成為解決超大規(guī)模IC物理極限的重要方案之一，并獲得了極大的發(fā)展[1]。3D IC封裝廣泛采用微凸點(diǎn)(Micro-Bump)和硅通孔(Through-Silicon-Vias，TSV)實(shí)現(xiàn)芯片互連，這在促進(jìn)封裝密度不斷提高的同時(shí)，也使得焊點(diǎn)尺寸大大減小，從而導(dǎo)致焊點(diǎn)界面反應(yīng)、組織演化以及焊點(diǎn)力學(xué)性能表現(xiàn)出明顯的尺寸(體積)效應(yīng)[2-5]。互連焊點(diǎn)常常因熱失配、裝配外力等原因發(fā)生剪切失效，因此具有良好剪切性能的焊點(diǎn)是電子產(chǎn)品高可靠性的重要保障。但在尺寸效應(yīng)的作用下，焊點(diǎn)界面金屬間化合物(IMC)體積在焊點(diǎn)中的比例增加，微小尺度互連的可靠性問題變得更加嚴(yán)重[6-7]。

化學(xué)鎳/鈀/金(ENEPIG)表面處理層具有良好的釬焊潤濕性、緩慢的界面金屬間化合物生長速率和較低的成本等特性，且能夠滿足多種封裝工藝要求，因而受到了廣泛的重視。ENEPIG在化學(xué)鎳金(ENIG)的基礎(chǔ)上引入鈀層，較好地解決了ENIG因鎳(磷)層腐蝕而在其表面形成鎳氧化物(黑盤，Black-pad)，進(jìn)而導(dǎo)致焊點(diǎn)可靠性下降的問題[8]。此外，ENEPIG還可抑制電遷移引起的鎳(磷)層消耗和焊點(diǎn)界面金屬間化合物的溶解和擴(kuò)散，使其表現(xiàn)出良好的抗電遷移特性[9]。

HO等[10]在研究不同尺寸Sn-3.0Ag-0.5Cu/Ni焊點(diǎn)的釬焊界面反應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在大尺寸焊點(diǎn)界面處只生成了一層(Cu,Ni)6Sn5金屬間化合物，而小尺寸焊點(diǎn)界面上卻生成了一層(Ni,Cu)3Sn4和一層(Cu,Ni)6Sn5金屬間化合物，并且出現(xiàn)(Cu,Ni)6Sn5金屬間化合物層大量脫落的現(xiàn)象，認(rèn)為小尺寸焊點(diǎn)界面反應(yīng)消耗銅的速率比大尺寸焊點(diǎn)的快，致使焊點(diǎn)貧銅，從而表現(xiàn)出明顯的尺寸效應(yīng)。ISLAM等[2]對(duì)比研究了2種尺寸的釬料球與銅焊盤的釬焊界面反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)大體積釬料球消耗了更多的銅焊盤，但形成的界面化合物卻更薄。LI等[11]研究了不同間距焊點(diǎn)的剪切性能，發(fā)現(xiàn)隨著焊點(diǎn)間距的減小，金屬間化合物體積占焊點(diǎn)比例變大，剪切強(qiáng)度增大。TIAN等[12]研究發(fā)現(xiàn)，隨焊點(diǎn)尺寸的減小，回流及時(shí)效后Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度增大，這是因?yàn)樾〕叽绾更c(diǎn)中細(xì)小的Ag3Sn顆粒增大了其剪切強(qiáng)度，大尺寸焊點(diǎn)中枝晶狀和羽毛狀的Ag3Sn導(dǎo)致了焊點(diǎn)脆性的增大。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)焊點(diǎn)釬焊界面反應(yīng)和剪切性能的尺寸效應(yīng)進(jìn)行了深入研究，但基于ENEPIG的界面反應(yīng)和剪切性能的尺寸效應(yīng)研究尚不多見；而相關(guān)研究對(duì)ENEPIG的應(yīng)用及其釬焊焊點(diǎn)的可靠性評(píng)估具有積極意義。作者研究了不同尺寸Sn-3.0Ag-0.5Cu/ENEPIG焊點(diǎn)的界面反應(yīng)和剪切性能，對(duì)比分析了焊點(diǎn)經(jīng)多次釬焊回流和時(shí)效處理后的界面金屬間化合物層厚度及焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度，闡述了尺寸效應(yīng)對(duì)焊點(diǎn)界面金屬間化合物生長、轉(zhuǎn)變和剪切斷裂的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用釬料焊球成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為Sn-3.0%Ag-0.5%Cu，直徑分別為200，300，400 μm。基板銅焊盤表面處理層為ENEPIG鍍層，由鎳(磷)層、鈀層和金層組成，其中鎳(磷)層厚度為5 μm，焊球與焊盤的尺寸參數(shù)列于表1中。將焊球置于涂覆中性活性助焊劑的焊盤上，并放入TYR108N-C型臺(tái)式回流焊機(jī)中進(jìn)行回流。回流峰值溫度為250 ℃，液相線(217 ℃)以上停留時(shí)間為45 s，分別回流1,3,5,7次。將部分回流3次的焊點(diǎn)試樣放入恒溫箱中進(jìn)行等溫時(shí)效處理，時(shí)效溫度分別為75,100,125 ℃，時(shí)效時(shí)間為200 h。

表1 焊球與焊盤的尺寸參數(shù)

采用Dage4000型鍵合強(qiáng)度測(cè)試儀對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行剪切試驗(yàn)，剪切試驗(yàn)原理如圖1所示，推刀端面到基板表面的距離為10 μm，剪切速度為50 μm·s-1。在測(cè)試過程中，當(dāng)剪切力下降至最大剪切力的75%時(shí)，推刀迅速將焊球推斷，若焊盤不被剝離，即視為1次有效測(cè)試值。對(duì)于不同條件下的焊點(diǎn)，取15個(gè)有效值的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 焊點(diǎn)剪切試驗(yàn)原理圖Fig.1 Schematic of solder joint shear test principle

將不同條件下的焊點(diǎn)用環(huán)氧樹脂密封后，用200#砂紙沿垂直于基板法線方向?qū)更c(diǎn)最大橫截面處進(jìn)行磨制，然后依次使用2000#砂紙和粒徑0.5 μm金剛石拋光膏對(duì)該截面進(jìn)行磨拋，再用體積分?jǐn)?shù)5%硝酸酒精溶液腐蝕5 s后，用SUPARR 55型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察焊點(diǎn)界面組織與形貌，并通過SEM附帶的INCA+CH5型能譜儀(EDS)分析界面金屬間化合物的成分和類型。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 回流后焊點(diǎn)的界面組織及剪切性能

由圖2可以看出，隨著焊球直徑的增大，焊點(diǎn)界面金屬間化合物層的厚度及其晶粒尺寸均減小，表現(xiàn)出明顯的尺寸效應(yīng)。同時(shí)，由EDS分析結(jié)果可知，直徑200 μm焊球與鍍層回流后焊點(diǎn)的界面產(chǎn)物均為(Ni,Cu)3Sn4，由Ni3Sn4相固溶少量銅原子形成；直徑400 μm焊球與鍍層回流后焊點(diǎn)的界面產(chǎn)物為(Cu,Ni)6Sn5，由Cu6Sn5相固溶少量鎳原子形成；而直徑300 μm焊球與鍍層回流后焊點(diǎn)的界面產(chǎn)物則由靠近基板側(cè)的(Cu,Ni)6Sn5和靠近釬料側(cè)的(Ni,Cu)3Sn4兩種金屬間化合物組成。焊點(diǎn)中未發(fā)現(xiàn)由鈀或金形成的獨(dú)立金屬間化合物，也未發(fā)現(xiàn)其存在于界面金屬間化合物中，推斷較薄的鈀層和金層在釬焊初期迅速溶解到釬料中，釬焊結(jié)束后鈀和金以固溶的形式存在于錫基體中。隨著SnAgCu釬料中銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1.0%降低至0.2%，SnAgCu/Ni界面產(chǎn)物先由單一相(Cu,Ni)6Sn5向復(fù)相(Cu,Ni)6Sn5和(Ni,Cu)3Sn4轉(zhuǎn)變，再轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗?Ni,Cu)3Sn4[13]。焊球直徑較小(200 μm)的焊點(diǎn)中銅的絕對(duì)含量低，不足以形成(Cu,Ni)6Sn5，因此只能形成消耗銅較少的(Ni,Cu)3Sn4；而焊球直徑較大(400 μm)的焊點(diǎn)中銅的絕對(duì)含量高，足以供界面反應(yīng)形成(Cu,Ni)6Sn5；對(duì)于焊球直徑介于二者之間(300 μm)的焊點(diǎn)，反應(yīng)初期釬料中的銅含量較高，界面處形成(Cu,Ni)6Sn5，隨著反應(yīng)的進(jìn)行釬料中逐漸貧銅，界面產(chǎn)物轉(zhuǎn)變?yōu)?Ni,Cu)3Sn4。隨著焊球直徑的增大，焊點(diǎn)界面金屬間化合物層厚度及晶粒尺寸隨回流次數(shù)增加而增大的趨勢(shì)減弱。這是由于：一方面，隨著焊球直徑的增大，鎳向液態(tài)釬料中溶解的速率較慢，因此界面金屬間化合物的生長速率也相應(yīng)較慢；另一方面，隨著焊球直徑的增加，焊球體積與焊盤面積的比值增大，更多溶解的鎳原子擴(kuò)散到釬料中以滿足溶解度需求，使得參與界面反應(yīng)的原子通量降低，導(dǎo)致焊點(diǎn)中界面金屬間化合物生長速率下降。

圖2 不同直徑Sn-3.0Ag-0.5Cu焊球與ENEPIG鍍層回流不同次數(shù)后焊點(diǎn)的截面SEM形貌Fig.2 Cross section SEM morphology of solder joints by reflow of Sn-3.0Ag-0.5Cu solder balls with different diameters and ENEPIG cladding for different times: (a-c) reflow for time; (d-f) reflow for 3 times; (g-i) reflow for 5 times and (j-l) reflow for 7 times

由圖3可知：當(dāng)焊球直徑從200 μm增加到300 μm時(shí)，焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度下降明顯，回流1次時(shí)的剪切強(qiáng)度下降程度最大，由87 MPa下降到68 MPa，下降幅度為21.53%；焊球直徑從300 μm增至400 μm時(shí)，焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度下降幅度較小，回流1次時(shí)的剪切強(qiáng)度下降程度最大，由68 MPa下降到60 MPa，下降幅度僅為5.54%。可見，相同回流次數(shù)下，焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度隨焊球尺寸的增大而降低，表現(xiàn)出尺寸效應(yīng)，這與LI等[11]的研究結(jié)果相吻合。對(duì)于相同焊球尺寸的焊點(diǎn)，隨著回流次數(shù)的增加，焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度下降，這可能是由于焊點(diǎn)經(jīng)多次回流后，釬料晶粒粗化導(dǎo)致的[12]。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，直徑200 μm焊球與鍍層經(jīng)7次回流后焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度比經(jīng)1次回流后的下降了22.74%，而直徑400 μm焊球與鍍層經(jīng)7次回流后焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度比經(jīng)1次回流后的下降了6.72%，說明回流次數(shù)對(duì)焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度下降的影響程度隨著焊球直徑的增大而減弱。

圖3 Sn-3.0Ag-0.5Cu焊球與ENEPIG鍍層回流不同次數(shù)后焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度隨焊球直徑的變化曲線Fig.3 Curves of shear strength of solder joints by reflow of Sn-3.0Ag-0.5Cu solder balls and ENEPIG cladding for different times vs diameter of solder ball

由圖4可以看出，在剪切力作用下，焊點(diǎn)先發(fā)生塑性變形后發(fā)生撕裂，最后發(fā)生斷裂失效。焊點(diǎn)斷口主要由劈刀切開區(qū)和撕裂區(qū)組成，直徑200 μm焊球與鍍層回流后焊點(diǎn)的劈刀切開區(qū)的面積明顯大于其撕裂區(qū)的面積，而直徑400 μm焊球與鍍層回流后焊點(diǎn)的撕裂區(qū)相對(duì)面積明顯比直徑200 μm焊球與鍍層回流后的大。焊球直徑較大焊點(diǎn)的劈刀切開區(qū)面積相對(duì)較大，說明其塑性較好，可知焊點(diǎn)的斷口形貌也表現(xiàn)出明顯的尺寸效應(yīng)。

圖4 不同直徑Sn-3.0Ag-0.5Cu焊球與ENEPIG鍍層回流1次后焊點(diǎn)的剪切斷口形貌Fig.4 Shear fracture morphology of solder joints by reflow of Sn-3.0Ag-0.5Cu solder balls with different diameters and ENEPIG cladding for 1 time

2.2 回流3次與時(shí)效后焊點(diǎn)界面組織及剪切性能

參考實(shí)際工藝，選擇了回流3次并時(shí)效后的焊點(diǎn)截面組織與剪切性能進(jìn)行研究。由圖5可知，相同時(shí)效溫度下，焊點(diǎn)界面金屬間化合物層厚度及晶粒尺寸均隨焊球直徑的增大而減小，其變化趨勢(shì)與時(shí)效前的相一致。與時(shí)效前的焊點(diǎn)相比，時(shí)效后焊點(diǎn)界面金屬間化合物層厚度明顯增加，且其形貌變得更為光滑、平坦。隨著時(shí)效溫度的升高，焊點(diǎn)界面金屬間化合物發(fā)生明顯粗化。由EDS分析可知，時(shí)效處理后所有焊點(diǎn)界面的金屬間化合物均為(Cu,Ni)6Sn5，說明在時(shí)效過程中釬料中的銅原子不斷向界面遷移，一方面促進(jìn)了金屬間化合物的生長，另一方面促使焊球直徑為300 μm焊點(diǎn)中界面金屬間化合物類型轉(zhuǎn)變。

由圖6可知，隨著焊球直徑的增大，時(shí)效后焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)，且當(dāng)焊球直徑從200 μm增加到300 μm時(shí)，剪切強(qiáng)度下降趨勢(shì)明顯，與時(shí)效前的結(jié)果相吻合，但下降幅度較時(shí)效前的均有所降低。隨著時(shí)效溫度的升高，焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度降低，當(dāng)時(shí)效溫度為125 ℃時(shí)，剪切強(qiáng)度最小。時(shí)效后焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度整體低于時(shí)效前的，這可能是由于時(shí)效后焊點(diǎn)內(nèi)錫晶粒及金屬間化合物顆粒發(fā)生粗化，且界面金屬間化合物層在增厚的同時(shí)也變得更加平坦導(dǎo)致的。

圖6 Sn-3.0Ag-0.5Cu焊球與ENEPIG鍍層回流3次的焊點(diǎn)在不同溫度下時(shí)效200 h后的剪切強(qiáng)度隨焊球直徑的變化曲線Fig.6 Curves of shear strength vs solder ball diameter of solder joints by reflow of Sn-3.0Ag-0.5Cu solder balls and ENEPIG cladding for 3 times after aging at different temperatures for 200 h

3 結(jié) 論

(1) Sn-3.0Ag-0.5Cu焊球與ENEPIG鍍層回流不同次數(shù)后，焊點(diǎn)界面金屬間化合物層的厚度以及焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度均隨焊球直徑的增大而降低，表現(xiàn)出明顯尺寸效應(yīng)；焊球直徑為200，300，400 μm的焊點(diǎn)中，釬焊界面金屬間化合物分別為(Ni,Cu)3Sn4、(Ni,Cu)3Sn4和(Cu,Ni)6Sn5、(Cu,Ni)6Sn5；焊球直徑較大焊點(diǎn)的劈刀切開區(qū)面積相對(duì)較大，說明其塑性較好，焊點(diǎn)的剪切斷口形貌表現(xiàn)出尺寸效應(yīng)；回流次數(shù)的增加導(dǎo)致焊點(diǎn)界面金屬間化合物層厚度增加，焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度下降，且焊球直徑較小的焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度的下降程度大于焊球直徑較大的焊點(diǎn)。

(2) Sn-3.0Ag-0.5Cu焊球與ENEPIG鍍層回流3次的焊點(diǎn)經(jīng)時(shí)效后的界面金屬間化合物層的厚度以及焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度均隨焊球直徑的增大而降低，表現(xiàn)出明顯的尺寸效應(yīng)；時(shí)效溫度升高導(dǎo)致界面金屬間化合物層厚度增加，焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度降低；在不同溫度下時(shí)效200 h后，所有焊點(diǎn)界面金屬間化合物均為(Cu,Ni)6Sn5，且時(shí)效后焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度均低于時(shí)效前的。