热迁移对cu／sn／cu焊点液-固界面cu6sn5生长动力学的影响

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．64，No．16(2015)166601热迁移对Cu／Sn／Cu焊点液一固界~]1Cu6Sn5生长动力学的影响冰赵宁十钟毅黄明亮马海涛刘小平(大连理工大学材料科学与工程学院，大连116024)(2015年1月5日收到；2015年4月1日收到修改稿)电子封装技术中，微互连焊点在一定温度梯度下将发生金属原子的热迁移现象，显著影响界面金属间化合物的生长和基体金属的溶解行为．采用Cu／Sn／Cu焊点在250。C和280。C下进行等温时效和热台回流，对比研究了热迁移对液一固界面

2、Cu6Sn5生长动力学的影响．等温时效条件下，界面Cu6Sn5生长服从抛物线规律，由体扩散控制．温度梯度作用下，焊点冷、热端界面Cu6Sn5表现出非对称性生长，冷端界面Cu6Sn5生长受到促进并服从直线规律，由反应控制，而热端界面Cu6Sn5生长受到抑制并服从抛物线规律，由晶界扩散控制．热端Cu基体溶解到液态Sn中的Cu原子在温度梯度作用下不断向冷端热迁移，为冷端界面Cu6Sn5的快速生长提供Cu原子通量．计算获得250。C和280。C下Cu原子在液态Sn中的摩尔传递热Q分别为14．11和14．44kJ／mo

3、l，热迁移驱动力FI分别为1．62×10—19和1．70×10N．关键词：钎料，热迁移，界面反应，金属间化合物PACS：66．10．—x，68．08．一P，68．35．bd，81．20．vjDOI：10．7498／aps．64．166601发生的、由扩散控制的质量迁移过程其机理是高1引言温区的电子具有较高的散射能，驱动金属原子进行定向扩散运动，产生金属原子的迁移．由于热迁移在电子封装互连技术中，钎料与凸点下金属层增强金属原子的定向扩散能力，并能引起元素的重(underbumpmetallurgy，UBM)发生

4、钎焊界面反新分布，将显著影响界面IMC的生长和微互连的应并形成金属问化合物fintermetalliccompound，可靠性[7-14】．目前，关于微焊点热迁移的研究主IMC)是实现焊点冶金连接的必要条件，但界面要是针对焊点为固态的情况．在Sn-Pb焊点中，发IMC的脆性本质使得其厚度及形貌必须得到有效现1000-2143。C／cm的温度梯度引起sn原子向控制[1]．电子产品不断追求高密度、高性能和微型热端(芯片侧)迁移，Pb原子向冷端(基板侧)迁移化，焊点的尺寸持续减小．例如，新兴3DIC封装互且为热迁移

5、的主导成分，计算得到Pb原子的传递连微焊点的尺寸比传统倒装芯片焊点的尺寸小一热为22．16—26．8kJ／tool[7-10]．在无铅焊点中，涉个数量级，这导致界面IMC占整个焊点的比例明及的热迁移元素和界面反应则更为复杂多样．当显提高，微焊点可靠性对钎焊液一固界面IMC的形温度梯度为230。C／cm时，同样发现Sn原子向热核和生长变得更加敏感，因而受到广泛关注[2-4]．端迁移，导致焊点热端出现凸起而冷端出现大量孔有报道发现，在一定温度梯度下微焊点中的金洞，计算得到sn原子的传递热为一3．38kJ／mol[

6、11】．属原子会发生热迁移现象[516】．从材料热力学和动Cu／Sn一3．5Ag／Cu倒装焊点在150。C服役条件下力学观点看，金属原子的热迁移是在一定驱动力下形成约1143。C／cm的温度梯度，热端Cu原子通国家自然科学基金(批准号：51301030)和中央高校基本科研业务费(批准号DUT14QY451资助的课题十通信作者．E—mail：zhaoning@dlut．edu．ca@2015中国物理学会ChinesePhysicalSociety￡tp：／／wulizb．iphy．ac．c礼166601：1物理

7、学报ActaPhys．Sin．Vo1．64，No．16(2015)166601热端界面Cu6Sn5厚度差随回流时间延长不断增图8为Cu／Sn／Cu焊点280。C热台回流后冷、大．图7(b)为logh与logt的拟合关系曲线，得焊热端界面Cu6Sn5厚度与回流时间的关系曲线．与点冷、热端界面IMC生长的时间指数n分别为0．74250。C热台回流情况类似，焊点冷、热端界面和0．31，则界面IMC的生长机理分别为反应控制和Cu6Sn5的生长分别符合直线和抛物线规律．但晶界扩散控制．回流温度的升高不仅加速了Cu基体向

8、液态Sn中141．2121．010g8呈0_860．60．40204060801001201．01．21．41．61．82．02．2t／minlogt／min图6(网刊彩色)Cu／Sn／Cu焊点等温时效界面Cu6Sn5厚度与时效时间关系(a)h-t；(b)logh-logtFig．6．(coloronline)ThicknessoftheinterfacialCu6Sn5inCu／Sn／Cusold