【摘 要】
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电子封装技术中微焊点尺寸逐渐变小,为微焊点的可靠性带来严峻考验。钎焊反应过程中微焊点界面生成金属间化合物(Intermetallic Compound,IMC)是实现钎料与凸点下金属层(Under Bump Metallization,UBM)可靠冶金互连的关键。但界面处IMC具有脆性的本质,将会降低微焊点的力学性能和可靠性,因此其厚度和形貌要得到有效的控制。在微焊点制造及服役过程中,焊点两侧温差
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电子封装技术中微焊点尺寸逐渐变小,为微焊点的可靠性带来严峻考验。钎焊反应过程中微焊点界面生成金属间化合物(Intermetallic Compound,IMC)是实现钎料与凸点下金属层(Under Bump Metallization,UBM)可靠冶金互连的关键。但界面处IMC具有脆性的本质,将会降低微焊点的力学性能和可靠性,因此其厚度和形貌要得到有效的控制。在微焊点制造及服役过程中,焊点两侧温差易引起微焊点内形成温度梯度(Temperature Gradient,TG),进而驱动金属原子发生定向扩散,并能引起元素的重新分布,即热迁移(Thermomigration,TM),这将显著影响界面IMC的生长行为和微互连的可靠性。本论文以Cu/In-48Sn/Cu微焊点为研究对象,研究了平均温度为140℃、温度梯度为1200℃/cm以及平均温度为160℃、温度梯度为1200℃/cm条件下微焊点的热迁移行为和钎焊界面反应,并与对应温度下的钎焊界面反应进行对比,揭示等温回流和温度梯度下回流过程中界面IMC的生长演变,Cu、In原子热迁移方向以及IMC的动力学和柯肯达尔空洞形成的机理。研究结果如下:(1)初始Cu/In-48Sn/Cu微焊点两侧界面处均形成两种类型的IMC:Cu(In,Sn)2和Cu2(In,Sn)。钎料初始微观结构由两种相组成:富Sn的γ相InSn4和富In的β相In3Sn。两相在钎料中均匀分布,在钎料/IMC界面处未发生元素偏析现象。(2)140℃等温回流时,微焊点界面处也存在Cu(In,Sn)2和Cu2(In,Sn)两种IMC,且出现Cu(In,Sn)2 IMC向钎料中剥落的现象,生长动力学分析得出Cu(In,Sn)2相和Cu2(In,Sn)相的生长主要受晶界扩散控制。160℃等温回流时,由于Cu原子的扩散能力强于In、Sn原子,利于Cu原子和Cu(In,Sn)2反应生成Cu2(In,Sn),界面IMC逐渐由初始的[Cu(In,Sn)2+Cu2(In,Sn)]转变为Cu2(In,Sn),且其生长主要受体扩散控制;同时,由于Sn、In和Cu原子在细晶粒和粗晶粒Cu2(In,Sn)子层中均有不同的扩散通量,导致Cu2(In,Sn)IMC层中形成柯肯达尔空洞。(3)在两种温度梯度条件下回流后,微焊点两端界面均存在Cu(In,Sn)2和Cu2(In,Sn)两种IMC。温度梯度作用下,Cu和In原子由微焊点热端向冷端热迁移,导致两侧界面IMC呈现非对称性生长现象,即冷端IMC具有更大的厚度。回流后,微焊点界面处无富Sn相或富In相的偏析,两者仍均匀混合分布在钎料中。热迁移作用下,平均温度为140℃时冷、热端IMC生长主要受晶界扩散控制,而平均温度为160℃时冷端IMC生长主要受体扩散控制,热端主要受晶界扩散控制。
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