文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.01.002
中文引用格式： 文惠東，林鵬榮，曹玉生，等. 高溫存儲下不同成分Sn-Pb凸點可靠性研究[J].電子技術應用，2017，43(1)：10-12，19.
英文引用格式： Wen Huidong，Lin Pengrong，Cao Yusheng，et al. Study on reliability of different Sn-Pb bumps with high temperature storage[J].Application of Electronic Technique，2017，43(1)：10-12，19.
0 引言
倒裝焊技術由于芯片引出端采用面陣列排布方式，具有信號傳輸距離短、高密度、高頻性能優(yōu)異、低串擾和高可靠等特點，是解決高密度先進封裝最為有效的途徑之一，已經(jīng)廣泛應用于高密度集成電路封裝中。倒裝焊工藝中，首先在芯片引出端焊盤上制備凸點，然后使芯片翻轉(zhuǎn)，并與外殼焊盤焊接，以實現(xiàn)機械互連和電氣互連。凸點制備通常采用Sn-Pb焊料，主要依靠焊料中的Sn與UBM發(fā)生冶金反應，焊料中的Pb并不發(fā)生反應。研究表明，當Sn含量不同時，界面處形成的金屬間化合物不盡相同[1]，而金屬間化合物則是直接影響凸點焊接質(zhì)量及長期可靠性的關鍵因素之一，尤其在高溫存儲條件下，金屬間化合物的成分、厚度及晶粒形態(tài)等均會發(fā)生顯著變化，進而影響倒裝焊器件的長期可靠性，因此進行高溫存儲條件下不同成分Sn-Pb凸點可靠性研究就顯得尤為必要。
1 材料準備及試驗方法
選用共晶Sn-Pb焊球（63Sn37Pb）及3種常見的高鉛焊球（10Sn90Pb、5Sn95Pb及3Sn97Pb），使之分別與常見的Ti-Cu-Ni結構UBM發(fā)生冶金反應形成凸點，焊球直徑為100 ?滋m；選用適用于高溫Sn-Pb焊料的助焊劑，最高可承受360 ℃高溫；選用菊花鏈芯片，UBM為Ti-Cu-Ni結構，直徑為85 μm。
選用不同成分的Sn-Pb焊球，經(jīng)助焊劑印刷并回流形成凸點，然后對帶有凸點的芯片樣品進行高溫存儲試驗，存儲溫度為150 ℃，存儲時間節(jié)點分別為100 h、500 h及1 000 h。利用剪切拉脫測試儀對凸點進行剪切強度測試；利用掃描電鏡觀察凸點的微觀組織及IMC形貌；利用Photoshop軟件對IMC厚度進行提取，對IMC生長情況進行分析。通過上述手段分析高溫存儲對凸點可靠性的影響。
2 凸點可靠性分析
2.1 凸點力學性能分析
4種Sn-Pb凸點抗剪切強度隨高溫存儲的變化情況如圖1所示。
對于3Sn97Pb和10Sn90Pb凸點而言，其剪切強度隨高溫存儲試驗的進行，整體上均呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，10Sn90Pb凸點的剪切強度數(shù)值始終大于3Sn97Pb。在高溫存儲過程中，5Sn95Pb凸點的剪切強度呈逐漸下降的趨勢，63Sn37Pb凸點的剪切強度變化不大，整體較為穩(wěn)定。高溫存儲試驗中，63Sn37Pb凸點的剪切強度始終最大，其次為10Sn90Pb。3種高鉛凸點中，10Sn90Pb凸點的力學強度最大，且剪切強度值的波動幅度最小，這說明在高溫存儲過程中，相較于其他兩種高鉛凸點，10Sn90Pb的力學性能最好。
2.2 凸點界面反應分析
經(jīng)過高溫存儲后不同凸點的橫截面照片如圖2～圖5所示。
由圖2可知，在高溫存儲過程中，3Sn97Pb凸點界面處IMC層厚度無明顯增大，100 h高溫存儲后在界面處可觀測到團簇狀晶粒的存在；當高溫存儲進行到500 h時，界面處IMC層較100 h更為平坦，但能觀測到細齒狀凸起；當高溫存儲進行到1 000 h時，團簇狀晶粒橫向尺寸明顯增大，并開始出現(xiàn)扇貝化趨勢。
由圖3和圖4可知，5Sn95Pb凸點在高溫存儲過程中界面處IMC層厚度略有增大，當高溫存儲達到1 000 h時，界面處IMC層呈現(xiàn)扇貝狀結構。在高溫存儲過程中，10Sn90Pb凸點界面處IMC層始終保持為連續(xù)的層狀結構，隨著時間的延長，IMC層厚度不斷增大。
由圖5可知，63Sn37Pb凸點界面處IMC層的形態(tài)在高溫存儲過程中存在較為明顯的變化，回流完成時IMC層厚度很小，且能觀測到細長狀的凸起，焊料內(nèi)部的富Sn相尺寸很小，彌散分布在凸點中；當高溫存儲進行到100 h時，IMC層厚度已明顯增大，約變?yōu)榛亓骱蟪跏己穸鹊?倍，IMC層較為平坦，不同區(qū)域的IMC層厚度較為一致，此外焊料內(nèi)部出現(xiàn)大面積的Sn的富集；隨著高溫存儲時間的繼續(xù)進行，IMC層厚度和焊料內(nèi)部的富Sn相尺寸繼續(xù)增大；當高溫存儲進行到1 000 h時，界面處IMC層厚度為初始厚度的7.5倍左右，呈現(xiàn)出扇貝狀形態(tài)，焊料內(nèi)部的富Sn相大面積橋連。
高溫存儲過程中不同成分凸點IMC層厚度的變化情況如圖6所示。由圖6可知，隨著高溫存儲的進行，4種成分凸點界面處IMC厚度逐漸增加，在高溫存儲初期，63Sn37Pb界面處IMC厚度增長最快，其次為10Sn90Pb，3Sn97Pb和5Sn95Pb凸點IMC厚度增長速度相差不大，這與二者的Sn含量相近有關。此外，隨高溫存儲過程的進行，4種凸點界面處IMC厚度增長速度均有不同程度的減緩，當高溫存儲進行到500 h左右時，3Sn97Pb凸點IMC厚度即不再發(fā)生變化。1 000 h高溫存儲完成后，3Sn97Pb和5Sn95Pb凸點界面處IMC層厚度值相差無幾，63Sn37Pb凸點界面處IMC厚度值最大。在相同的條件下，界面處IMC層的厚度仍與焊料中Sn元素的含量有關，Sn含量越高，高溫存儲后形成的IMC層也越厚[2]。
高溫存儲后不同成分凸點界面處IMC的top view形態(tài)如圖7所示。
由圖7可知，在高溫存儲試驗過程中，4種成分凸點的IMC晶粒形態(tài)均發(fā)生了明顯變化。當高溫存儲進行到100 h時，4種凸點界面處IMC晶粒形態(tài)均出現(xiàn)棱晶狀向貝殼狀轉(zhuǎn)變的趨勢[3]。通過EDX分析后可知，此時3Sn97Pb和5Sn95Pb凸點界面處IMC的主要成分為Ni3Sn2和Ni3Sn，10Sn90Pb和63Sn37Pb 凸點界面處IMC的主要成分為Ni3Sn4。
當高溫存儲進行到500h時，5Sn95Pb和10Sn90Pb凸點的IMC中均觀測不到細軸狀晶粒的存在，晶粒出現(xiàn)粗化，呈現(xiàn)出不規(guī)則的扇貝狀結構，而此時63Sn37Pb凸點的IMC晶粒嚴重粗化，轉(zhuǎn)變?yōu)槲菁範罱Y構。3Sn97Pb凸點界面處IMC晶粒仍保持棱晶狀。對于3Sn97Pb和5Sn95Pb凸點而言，高溫存儲500h后，IMC的主要成分仍為Ni3Sn2和Ni3Sn，這是因為與其他兩種焊料相比，3Sn97Pb和5Sn95Pb焊料中Sn含量最少，因此，即使經(jīng)過長時間的高溫存儲，Sn原子有充足的時間可擴散至IMC/焊料的界面處，但是擴散的Sn原子數(shù)量相較于Ni原子而言仍然非常少[4]，所以在界面處只能形成Ni3Sn和Ni3Sn2。
此時10Sn90Pb凸點界面處IMC的主要成分為Ni3Sn4和Ni3Sn2。在靠近焊料的一側(cè)，IMC的主要成分為Ni3Sn4，靠近焊盤的一側(cè)IMC主要成分為Ni3Sn2，這種現(xiàn)象是由原子濃度梯度不同導致的[5]。由Ni-Sn二元相圖可知，在10Sn90Pb凸點回流焊初始階段，焊盤中的Ni不斷溶解到熔融焊料中，Ni和Sn原子供應均充足，此時形成的金屬間化合物主要是Ni3Sn4。在回流之后，隨著高溫存儲的不斷進行，Sn原子濃度逐漸降低，導致Sn原子供應不足，而在IMC/焊盤的界面處，Sn原子通過擴散作用到達該處，與焊盤中的Ni原子發(fā)生反應形成IMC，此時Ni原子相對過量，因此形成Ni3Sn2。高溫存儲過程中，63Sn37Pb界面處IMC的主要成分始終為Ni3Sn4。
在高溫存儲過程中，不同成分凸點中IMC晶粒尺寸的增加速度也呈現(xiàn)出較為明顯的差異：在高溫存儲試驗前期，63Sn37Pb凸點IMC生長速度最快，晶粒粗化現(xiàn)象也最為嚴重；10Sn90Pb凸點IMC晶粒生長速度其次，隨著焊料中Sn含量的降低，在高溫存儲過程中IMC晶粒的生長速度也逐漸降低；當高溫存儲試驗進行到一定時間后，不同成分的凸點界面處IMC晶粒的生長速度均有所減慢。經(jīng)過500h高溫存儲后，63Sn37Pb凸點IMC晶粒尺寸最大，3Sn97Pb凸點中晶粒尺寸最小。
3 結論
本文通過對比經(jīng)歷高溫存儲試驗前后3Sn97Pb、5Sn95Pb、10Sn90Pb以及63Sn37Pb凸點的力學性能、IMC層厚度及IMC晶粒形貌，得出以下結論：
(1)隨著高溫存儲試驗的進行，不同成分凸點的剪切力整體上呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，其中10Sn90Pb凸點剪切強度波動幅度最?。?/p>
(2)界面處IMC層厚度與焊料中Sn元素含量有關，Sn含量越高，高溫存儲后形成的IMC層越厚，63Sn37Pb界面IMC變化最為明顯；
(3)焊料中Sn含量越低，高溫存儲過程中IMC晶粒的生長速度越低，其中63Sn37Pb凸點IMC生長速度最快，晶粒粗化現(xiàn)象最為嚴重，10Sn90Pb凸點IMC生長速度其次；
(4)高溫存儲過程中，63Sn37Pb界面處IMC的主要成分始終為Ni3Sn4，10Sn90Pb凸點界面處IMC的主要成分為Ni3Sn4和Ni3Sn2。
參考文獻
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作者信息:
文惠東，林鵬榮，曹玉生，練濱浩，王 勇，姚全斌
(北京微電子技術研究所，北京100076)