0 引言

    倒裝焊技術(shù)由于芯片引出端采用面陣列排布方式，具有信號(hào)傳輸距離短、高密度、高頻性能優(yōu)異、低串?dāng)_和高可靠等特點(diǎn)，是解決高密度先進(jìn)封裝最為有效的途徑之一，已經(jīng)廣泛應(yīng)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(pán)上制備凸點(diǎn)，然后使芯片翻轉(zhuǎn)，并與外殼焊盤(pán)焊接，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械互連和電氣互連。凸點(diǎn)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(yīng)，焊料中的Pb并不發(fā)生反應(yīng)。研究表明，當(dāng)Sn含量不同時(shí)，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(diǎn)焊接質(zhì)量及長(zhǎng)期可靠性的關(guān)鍵因素之一，尤其在高溫存儲(chǔ)條件下，金屬間化合物的成分、厚度及晶粒形態(tài)等均會(huì)發(fā)生顯著變化，進(jìn)而影響倒裝焊器件的長(zhǎng)期可靠性，因此進(jìn)行高溫存儲(chǔ)條件下不同成分Sn-Pb凸點(diǎn)可靠性研究就顯得尤為必要。

1 材料準(zhǔn)備及試驗(yàn)方法

    選用共晶Sn-Pb焊球（63Sn37Pb）及3種常見(jiàn)的高鉛焊球（10Sn90Pb、5Sn95Pb及3Sn97Pb），使之分別與常見(jiàn)的Ti-Cu-Ni結(jié)構(gòu)UBM發(fā)生冶金反應(yīng)形成凸點(diǎn)，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T(mén)i-Cu-Ni結(jié)構(gòu)，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(diǎn)，然后對(duì)帶有凸點(diǎn)的芯片樣品進(jìn)行高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)，存儲(chǔ)溫度為150 ℃，存儲(chǔ)時(shí)間節(jié)點(diǎn)分別為100 h、500 h及1 000 h。利用剪切拉脫測(cè)試儀對(duì)凸點(diǎn)進(jìn)行剪切強(qiáng)度測(cè)試；利用掃描電鏡觀察凸點(diǎn)的微觀組織及IMC形貌；利用Photoshop軟件對(duì)IMC厚度進(jìn)行提取，對(duì)IMC生長(zhǎng)情況進(jìn)行分析。通過(guò)上述手段分析高溫存儲(chǔ)對(duì)凸點(diǎn)可靠性的影響。

2 凸點(diǎn)可靠性分析

2.1 凸點(diǎn)力學(xué)性能分析

    4種Sn-Pb凸點(diǎn)抗剪切強(qiáng)度隨高溫存儲(chǔ)的變化情況如圖1所示。

    對(duì)于3Sn97Pb和10Sn90Pb凸點(diǎn)而言，其剪切強(qiáng)度隨高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)的進(jìn)行，整體上均呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，10Sn90Pb凸點(diǎn)的剪切強(qiáng)度數(shù)值始終大于3Sn97Pb。在高溫存儲(chǔ)過(guò)程中，5Sn95Pb凸點(diǎn)的剪切強(qiáng)度呈逐漸下降的趨勢(shì)，63Sn37Pb凸點(diǎn)的剪切強(qiáng)度變化不大，整體較為穩(wěn)定。高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)中，63Sn37Pb凸點(diǎn)的剪切強(qiáng)度始終最大，其次為10Sn90Pb。3種高鉛凸點(diǎn)中，10Sn90Pb凸點(diǎn)的力學(xué)強(qiáng)度最大，且剪切強(qiáng)度值的波動(dòng)幅度最小，這說(shuō)明在高溫存儲(chǔ)過(guò)程中，相較于其他兩種高鉛凸點(diǎn)，10Sn90Pb的力學(xué)性能最好。

2.2 凸點(diǎn)界面反應(yīng)分析

    經(jīng)過(guò)高溫存儲(chǔ)后不同凸點(diǎn)的橫截面照片如圖2～圖5所示。

    由圖2可知，在高溫存儲(chǔ)過(guò)程中，3Sn97Pb凸點(diǎn)界面處IMC層厚度無(wú)明顯增大，100 h高溫存儲(chǔ)后在界面處可觀測(cè)到團(tuán)簇狀晶粒的存在；當(dāng)高溫存儲(chǔ)進(jìn)行到500 h時(shí)，界面處IMC層較100 h更為平坦，但能觀測(cè)到細(xì)齒狀凸起；當(dāng)高溫存儲(chǔ)進(jìn)行到1 000 h時(shí)，團(tuán)簇狀晶粒橫向尺寸明顯增大，并開(kāi)始出現(xiàn)扇貝化趨勢(shì)。

    由圖3和圖4可知，5Sn95Pb凸點(diǎn)在高溫存儲(chǔ)過(guò)程中界面處IMC層厚度略有增大，當(dāng)高溫存儲(chǔ)達(dá)到1 000 h時(shí)，界面處IMC層呈現(xiàn)扇貝狀結(jié)構(gòu)。在高溫存儲(chǔ)過(guò)程中，10Sn90Pb凸點(diǎn)界面處IMC層始終保持為連續(xù)的層狀結(jié)構(gòu)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，IMC層厚度不斷增大。

    由圖5可知，63Sn37Pb凸點(diǎn)界面處IMC層的形態(tài)在高溫存儲(chǔ)過(guò)程中存在較為明顯的變化，回流完成時(shí)IMC層厚度很小，且能觀測(cè)到細(xì)長(zhǎng)狀的凸起，焊料內(nèi)部的富Sn相尺寸很小，彌散分布在凸點(diǎn)中；當(dāng)高溫存儲(chǔ)進(jìn)行到100 h時(shí)，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(chǔ)時(shí)間的繼續(xù)進(jìn)行，IMC層厚度和焊料內(nèi)部的富Sn相尺寸繼續(xù)增大；當(dāng)高溫存儲(chǔ)進(jìn)行到1 000 h時(shí)，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(chǔ)過(guò)程中不同成分凸點(diǎn)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(chǔ)的進(jìn)行，4種成分凸點(diǎn)界面處IMC厚度逐漸增加，在高溫存儲(chǔ)初期，63Sn37Pb界面處IMC厚度增長(zhǎng)最快，其次為10Sn90Pb，3Sn97Pb和5Sn95Pb凸點(diǎn)IMC厚度增長(zhǎng)速度相差不大，這與二者的Sn含量相近有關(guān)。此外，隨高溫存儲(chǔ)過(guò)程的進(jìn)行，4種凸點(diǎn)界面處IMC厚度增長(zhǎng)速度均有不同程度的減緩，當(dāng)高溫存儲(chǔ)進(jìn)行到500 h左右時(shí)，3Sn97Pb凸點(diǎn)IMC厚度即不再發(fā)生變化。1 000 h高溫存儲(chǔ)完成后，3Sn97Pb和5Sn95Pb凸點(diǎn)界面處IMC層厚度值相差無(wú)幾，63Sn37Pb凸點(diǎn)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(guān)，Sn含量越高，高溫存儲(chǔ)后形成的IMC層也越厚^[2]。

    高溫存儲(chǔ)后不同成分凸點(diǎn)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(chǔ)試驗(yàn)過(guò)程中，4種成分凸點(diǎn)的IMC晶粒形態(tài)均發(fā)生了明顯變化。當(dāng)高溫存儲(chǔ)進(jìn)行到100 h時(shí)，4種凸點(diǎn)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(shì)^[3]。通過(guò)EDX分析后可知，此時(shí)3Sn97Pb和5Sn95Pb凸點(diǎn)界面處IMC的主要成分為Ni3Sn2和Ni3Sn，10Sn90Pb和63Sn37Pb 凸點(diǎn)界面處IMC的主要成分為Ni3Sn4。

    當(dāng)高溫存儲(chǔ)進(jìn)行到500h時(shí)，5Sn95Pb和10Sn90Pb凸點(diǎn)的IMC中均觀測(cè)不到細(xì)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(jié)構(gòu)，而此時(shí)63Sn37Pb凸點(diǎn)的IMC晶粒嚴(yán)重粗化，轉(zhuǎn)變?yōu)槲菁範(fàn)罱Y(jié)構(gòu)。3Sn97Pb凸點(diǎn)界面處IMC晶粒仍保持棱晶狀。對(duì)于3Sn97Pb和5Sn95Pb凸點(diǎn)而言，高溫存儲(chǔ)500h后，IMC的主要成分仍為Ni3Sn2和Ni3Sn，這是因?yàn)榕c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(guò)長(zhǎng)時(shí)間的高溫存儲(chǔ)，Sn原子有充足的時(shí)間可擴(kuò)散至IMC/焊料的界面處，但是擴(kuò)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(shí)10Sn90Pb凸點(diǎn)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(pán)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(dǎo)致的^[5]。由Ni-Sn二元相圖可知，在10Sn90Pb凸點(diǎn)回流焊初始階段，焊盤(pán)中的Ni不斷溶解到熔融焊料中，Ni和Sn原子供應(yīng)均充足，此時(shí)形成的金屬間化合物主要是Ni3Sn4。在回流之后，隨著高溫存儲(chǔ)的不斷進(jìn)行，Sn原子濃度逐漸降低，導(dǎo)致Sn原子供應(yīng)不足，而在IMC/焊盤(pán)的界面處，Sn原子通過(guò)擴(kuò)散作用到達(dá)該處，與焊盤(pán)中的Ni原子發(fā)生反應(yīng)形成IMC，此時(shí)Ni原子相對(duì)過(guò)量，因此形成Ni3Sn2。高溫存儲(chǔ)過(guò)程中，63Sn37Pb界面處IMC的主要成分始終為Ni3Sn4。

    在高溫存儲(chǔ)過(guò)程中，不同成分凸點(diǎn)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(chǔ)試驗(yàn)前期，63Sn37Pb凸點(diǎn)IMC生長(zhǎng)速度最快，晶粒粗化現(xiàn)象也最為嚴(yán)重；10Sn90Pb凸點(diǎn)IMC晶粒生長(zhǎng)速度其次，隨著焊料中Sn含量的降低，在高溫存儲(chǔ)過(guò)程中IMC晶粒的生長(zhǎng)速度也逐漸降低；當(dāng)高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)進(jìn)行到一定時(shí)間后，不同成分的凸點(diǎn)界面處IMC晶粒的生長(zhǎng)速度均有所減慢。經(jīng)過(guò)500h高溫存儲(chǔ)后，63Sn37Pb凸點(diǎn)IMC晶粒尺寸最大，3Sn97Pb凸點(diǎn)中晶粒尺寸最小。

3 結(jié)論

    本文通過(guò)對(duì)比經(jīng)歷高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)前后3Sn97Pb、5Sn95Pb、10Sn90Pb以及63Sn37Pb凸點(diǎn)的力學(xué)性能、IMC層厚度及IMC晶粒形貌，得出以下結(jié)論：

    (1)隨著高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)的進(jìn)行，不同成分凸點(diǎn)的剪切力整體上呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，其中10Sn90Pb凸點(diǎn)剪切強(qiáng)度波動(dòng)幅度最小；

    (2)界面處IMC層厚度與焊料中Sn元素含量有關(guān)，Sn含量越高，高溫存儲(chǔ)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(chǔ)過(guò)程中IMC晶粒的生長(zhǎng)速度越低，其中63Sn37Pb凸點(diǎn)IMC生長(zhǎng)速度最快，晶粒粗化現(xiàn)象最為嚴(yán)重，10Sn90Pb凸點(diǎn)IMC生長(zhǎng)速度其次；

    (4)高溫存儲(chǔ)過(guò)程中，63Sn37Pb界面處IMC的主要成分始終為Ni3Sn4，10Sn90Pb凸點(diǎn)界面處IMC的主要成分為Ni3Sn4和Ni3Sn2。

參考文獻(xiàn)

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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(shù)研究所，北京100076)