Cu-Sn薄膜体系中锡晶须生长机制和抑制方法的研究

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随着电子产品无铅化的推行,纯 Sn将代替 Sn-Pb合金作为焊接材料,广泛地应用于半导体电子器件封装。其中电子器件引脚处的焊接为Cu-Sn焊接。这种焊接方式经过一段时间存放后,容易自发长出锡晶须。锡晶须呈长须状,长度最长可达厘米级,又具有高电流负荷能力,使得电子器件面临短路失效的危险。锡晶须问题成为了电子封装技术亟需解决的问题。  随着纳米科技的发展,锡晶须独特的光学、电学、力学、磁学性质,使其具有广阔的应用前景。然而对于如何生产出形状均一、大小可控的锡晶须,则需要对Sn晶须的生长机制进行深入的研究。  Cu-Sn体系中锡晶须的研究已经有60多年的历史,其生长机制至今仍有争议,且抑制锡晶须生长有效途径仍有待探究。基于应用层面,绝大多数的研究都是关于Sn镀在Cu上的锡晶须研究,而对Cu层在上的Cu/Sn薄膜体系中锡晶须生长的研究十分缺乏。本文通过对Cu/Sn和Sn/Cu样品的对比实验,研究了室温条件下,Cu/Sn薄膜样品中锡晶须的生长,以及退火对体系微观结构的影响。理论上,运用界面热力学理论分析和解释了实验观察到的微观结构的变化,得到了如下结果:  (1)在室温条件下,经过一段时间老化,Cu在上层的Cu/Sn薄膜体系表面能自发长出Sn晶须,且在Sn晶须周围没有表面破裂的痕迹。  (2)同Sn镀层厚度条件下, Cu/Sn薄膜体系的Sn晶须的生长速率比Sn/Cu薄膜体系的Sn晶须生长速率更快。  (3)当在Sn镀层厚度薄至不利于Sn/Cu体系长Sn晶须时(<0.5μm),Cu/Sn体系仍然能较容易的长出Sn晶须。  (4)退火对Sn/Cu体系和Cu/Sn体系都有抑制锡晶须生长的效果,且都会有Cu3Sn和Cu6Sn5化合物相形成。  (5)对Sn/Cu体系而言,退火导致Cu扩散到Sn层中(室温下,亦有此扩散),而没有Sn扩散到Cu层中。而对Cu/Sn体系而言,退火导致原本不含Sn的Cu层中扩散有大量的Sn。其原因是Sn的表面能比Cu的表面能更低,加热加快了Sn向表面偏析。  (6)通过界面热力学计算得到,在室温下,Cu/Sn薄膜体系中,相对于Cu3Sn,更倾向于形成Cu6Sn5。Cu6Sn5化合物更倾向于在Sn晶界和Cu/Sn界面处形成。而在Cu晶界内,还没有达到Cu6Sn5化合物形成的临界厚度,Sn原子就已经通过Cu晶界偏析到表面,并在Cu表面与Cu晶界交界处堆积形成Sn晶核,最后生长出Sn晶须。
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