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无铅焊球界面反应的体积效应研究

作　者: 刘鲁潍
导　师: 黄明亮
学　校: 大连理工大学
专　业: 材料学
关键词: 电子封装无铅钎料体积效应回流焊界面反应金属间化合物
分类号: TG401
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着电子产品向着更短、更小、更轻、更薄的方向发展,电子封装微型化已广泛研发并应用到消费类电子产品中。不仅芯片的尺寸日益减小,而且用来连接芯片与基板的焊球尺寸也逐渐变小,以便满足微型化的需求。但是,焊球尺寸的减小会对焊点的可靠性产生不良的影响,从而界面反应中焊球的体积效应就成为了新的研究课题。本论文主要研究不同直径(不同体积)无铅钎料球与不同的凸点下金属经若干次回流焊后界面反应的体积效应。本实验选用Sn-3.5Ag、Sn-3.0Ag-0.5Cu、Sn-3.5Ag-0.75Cu三种成分的焊球,焊球的直径分别为200,300,400和500μm,凸点下金属层为Cu焊盘和ENEPIG焊盘,两种焊盘的开口直径都为250 gm,分别进行1,2,3,4,5次回流。研究结果表明：在四种直径的无铅焊球与Cu焊盘的界面反应中,钎料/Cu界面均生成一层连续的扇贝状Cu6Sn5,随着反应时间的增加,在Cu6Sn5层和Cu焊盘之间会有Cu3Sn层生成。明显的体积效应出现在界面反应中。在回流次数相同时,焊球界面处IMC晶粒的平均直径和IMC层的厚度随着焊球体积的减小而增加,而Cu焊盘的消耗随着焊球体积的减小而减小。在焊球体积相同时,IMC晶粒的平均直径、IMC层的厚度和Cu焊盘的消耗量均随着回流次数的增加而提高。在焊球体积、回流次数相同时,钎料中的初始Cu浓度越高,界面处IMC晶粒的尺寸和IMC层的厚度越大,Cu焊盘的消耗量越小。较小体积焊球中的Cu浓度变化比较大体积的快,导致钎料与Cu焊盘的浓度差较小,这样IMC晶粒的生长就趋向于个体尺寸上增加而不是数目上的增多,IMC的过分生长会降低焊点的力学性能。在四种直径的无铅焊球与ENEPIG焊盘的界面反应中,在Sn-3.5Ag焊球与ENEPIG层的反应中,界面IMC仅是块状和针状形貌的Ni3Sn4。若只考虑Sn-3.5Ag焊球界面的块状IMC晶粒,仍可以发现,焊球的体积越小,IMC晶粒的尺寸越大。由于ENEPIG层中的Ni原子与钎料中Sn原子反应生成Ni3Sn4,从而使得P原子在初始Ni-P层中富集并形成一层Ni3P。在Sn-3.0Ag-0.5Cu/ENEPIG体系中,由于不同体积焊球中Cu的绝对含量不同,直径200μm焊球的界面IMC类型只有(Ni,Cu)3Sn4,主要呈现出针状和块状的形貌；直径300μm焊球的界面IMC是(Ni,Cu)3Sn4和(Cu,Ni)6Sn5两种类型,横截面处的IMC出现分层,IMC晶粒形貌为块状和八面体状；因为较高的绝对Cu含量,直径400 gm焊球和直径500μm焊球界面反应的IMC类型都为(Cu,Ni)6Sn5,都表现出针状的形貌,反应时间增长,会在针状的IMC上生出树枝状IMC。比较400μm和500μm的焊球的IMC颗粒的大小,可以发现前者的IMC晶粒尺寸大于后者。经历相同的回流次数后,Ni-P层的消耗和Ni3P层的厚度均随着焊球体积的增加而增大。在焊球体积相同时,Ni-P层的消耗和Ni3P层的厚度均随回流次数的增加而增加。钎料中加入0.5wt%的Cu后,可以降低Ni-P层向液态钎料中的溶解。由于钎料中Ag元素的存在,在液态钎料缓慢冷却的过程中,在焊点的界面处会形成大片状的Ag3Sn,在界面IMC晶粒表面上也会有细小的Ag3Sn颗粒附着,因为Ag3Sn极大的脆性,Ag3Sn的形成会大大降低焊点的可靠性。当钎料中Cu浓度和回流次数提高时,体积效应所带来的不同大小焊球之间的界面反应的差异会逐渐减小

无铅焊球界面反应的体积效应研究

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