無(wú)鉛共晶焊料在厚Cu凸點(diǎn)下金屬化層上的潤(rùn)濕反應(yīng)

2024-07-05

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無(wú)鉛共晶焊料在厚Cu凸點(diǎn)下金屬化層上的潤(rùn)濕反應(yīng)

無(wú)鉛共晶焊料在厚Cu凸點(diǎn)下金屬化層上的潤(rùn)濕反應(yīng)涉及多個(gè)方面，以下是對(duì)這一過(guò)程的詳細(xì)分析：

我們對(duì)4種不同的共晶焊料（SnPb、SnAg、SnAgCu 和 SnCu）在電鍍制備的厚Cu（15 μm）UBM層上的反應(yīng)進(jìn)行比較分析。

4種共晶焊料在Cu UBM 層上經(jīng)過(guò)2次回流后的互連界面的 SEM 照片(c)

(a)SnPb;(b)SnAg;(e)SnAgCu;(d)SnCu

170℃下固態(tài)老化1500h后4種焊料與Cu互連界面處的光學(xué)顯微鏡照片(a)SnPb;(b)SnAg;(c)SnAgCu;(d)SnCu

所有試樣中均觀察到扇貝狀Cu₆Sn₅，這是Cu與Sn基焊料反應(yīng)形成的典型金屬間化合物（IMC）。

無(wú)鉛焊料與Cu界面處的筍釘狀Cu₆Sn₅比SnPb焊料界面處的更大，這可能與無(wú)鉛焊料的成分和回流條件有關(guān)。

在SnAg和SnAgCu焊料中，觀察到非常大的片狀或筍釘狀A(yù)g₃Sn金屬間化合物。這些IMC的形成與焊料中的Ag含量有關(guān)，Ag與Sn反應(yīng)形成Ag₃Sn。

固態(tài)老化對(duì)IMC形貌的影響：

固態(tài)老化過(guò)程使扇貝狀Cu₆Sn₅形貌變?yōu)閷訝钚蚊?，隨著Cu原子的不斷擴(kuò)散，并明顯形成了一層Cu₃Sn。這表明IMC在老化過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷形態(tài)和組成的變化。

SnPb焊料在老化過(guò)程中焊料基體晶粒普遍長(zhǎng)大，且緊鄰CuSn層處形成了富Pb層。這可能與SnPb焊料的相變和元素?cái)U(kuò)散有關(guān)，Pb不與Cu發(fā)生IMC反應(yīng)。

無(wú)鉛焊料在老化過(guò)程中晶粒生長(zhǎng)不明顯，這可能與無(wú)鉛焊料的成分和穩(wěn)定性有關(guān)。

固態(tài)老化過(guò)程中Cu的消耗量與潤(rùn)濕反應(yīng)中消耗的Cu量具有相同的數(shù)量級(jí)，盡管時(shí)間差異達(dá)到4個(gè)數(shù)量級(jí)。這表明IMC的形成速率在潤(rùn)濕反應(yīng)中遠(yuǎn)高于固態(tài)老化過(guò)程，與金屬原子的濃度有關(guān)。

這可能是因?yàn)闈?rùn)濕反應(yīng)是在高溫下進(jìn)行的，且焊料與Cu基體直接接觸，有利于快速形成IMC。而固態(tài)老化過(guò)程是在較低的溫度下進(jìn)行的，元素?cái)U(kuò)散和反應(yīng)速率較慢。

結(jié)論：

SnPb焊料和無(wú)鉛焊料在Cu UBM層上的反應(yīng)存在顯著差異，特別是在IMC的形成和形貌變化方面。

無(wú)鉛焊料在固態(tài)老化過(guò)程中表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，晶粒生長(zhǎng)不明顯。

潤(rùn)濕反應(yīng)中IMC的形成速率遠(yuǎn)高于固態(tài)老化過(guò)程，這可能與溫度、元素?cái)U(kuò)散速率和焊料成分有關(guān)。

這些信息對(duì)于選擇合適的焊料和優(yōu)化焊接工藝參數(shù)具有重要意義，以確保電子產(chǎn)品的可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

 [1]K,N.Tu and K.Zeng,“Tin-lead ( $nPb) solder reaetion in flip chip tech-nology," MaterialsScienee and Engineering Reports,R34,1-58 ( 2001).( Review paper)

[2]K.Zeng and K.N.Tu , "Six cases of reliability study of Pb-free solder joints in electron packagingtechnology," Materials Seience and Engineer -ing Reports, R38, 55 - 105 ( 2002 ).( Review

paper )

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