《共晶snagcu焊料》word版

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1、共晶SnAgCu焊料与Al/Ni（V）/Cu薄膜间界面显微组织的转变摘要研究了两种共晶焊料SnAgCu、SnPb与Al/Ni(V)/Cu薄膜界面在时效过程中显微组织转变过程。在共晶SnPb体系中，Ni（V）层在220℃回流20次后保存完好。在SnAgCu焊料体系，在260℃回流5次后，形成（Cu，Ni）6Sn5三元化合物，且在Ni（V）层发现Sn。回流20次后，Ni（V）层消失，并观察到（Cu，Ni）6Sn5层开始破碎，从而解释了在焊球剪切测试中断裂方式由韧性向脆性断裂的转变现象。由于Cu在SnAgCu及SnPb系焊料中的溶解度

2、不同，所以两种焊料在熔化时的界面反应不同。基于Sn-Ni-Cu三元相图讨论了（Cu，Ni）6Sn5相的溶解及形成。此外，还研究了150℃固态时效过程。研究发现，SnAgCu在时效1000小时后，Ni（V）层完好，形成的IMC为Cu6Sn5而不是（Cu，Ni）6Sn5，这与共晶SnPb系中观察到的一样。1．引言铅对人类的毒作用已经被广泛认识。当今，电子工业排出的大量废弃物导致地下水中Pb含量过高。如今全球电子工业正在努力禁止在焊料中含铅。焊料的无铅化迫切要求建立无铅焊料组织、性能、成分、设备的知识体系。倒装芯片连接系统可以分为UB

3、M层（underbumpmetallization，凸点下金属化层）、焊球及镀金基板三个部分。UBM主要起连接，阻碍焊料扩散、反应，润湿焊料及防止氧化等作用。在锡球沉淀及形成，芯片在基板上封装形成封装元件，以及元件在电路板上组装过程中。连接的锡球承受一系列热处理，回流焊接成焊点。锡球连接的机械性能主要受焊球强度以及焊球与基板界面强度影响。虽然曾报道过很多种结构的UBM，但是目前商业上广泛应用的倒装芯片UBM薄膜主要为IBM开发的Cr-Cu/Cu/Au以及Delco研发的Al/Ni（V）/Cu两种。UBM薄膜的重要性在于降低了镀层

4、周围硅片的残余应力，从而降低了危险。这两种UBM分别在高含Pb及Sn-Pb共晶焊料效果良好。据报道，Al/Ni（V）/Cu最有潜力应用于无铅焊料。在所有无铅焊料中，SnAgCu系列焊料由于熔点较高，所以受到的影响最大。由于高的回流温度以及高的Sn含量，在回流循环过程中，无铅焊料与UBM之间的反应比SnPb的强得多。所以对应用于无铅焊料的UBM的需求越来越迫切。本文在相同的高温热处理条件下对高含Sn与SnPb焊料的显微组织转变及IMC的形成进行了对比，对比的结果将有助于理解在指定的热处理工艺下焊接的界面强度以及失效方式。本研究中，

5、将共晶SnAgCu无铅焊料与涂了三层的Al/Ni（V）/Cu薄膜的UBM焊接在一起，然后经过各种热处理（如多重回流、润湿反应及固相时效等），研究显微组织转变及界面反应。为了进行对比，研究了在相同热处理下的SnPb的显微组织转变及界面反应。倒装芯片焊料在整个焊接过程中通常要经过4次回流。在本研究中将焊料回流20次以研究界面反应，显微组织转变以及焊球剪切强度。结果表明，虽然经过20次回流焊接后焊料仍然保持着良好焊球剪切强度，但是在达到10次回流焊接时，断裂方式从焊料内部的韧性断裂转变为焊料与UBM界面的脆性断裂。这种改变可以通过本文

6、对界面反应以及显微组织转变的研究结果来解释。关于界面反应、显微组织转变以及相关的剪切强度的基础理论对于促进研发不同无铅焊料体系UBM有很大的帮助。2．实验本研究中的UBM采用三层的Al/Ni（V）/Cu薄膜结构，如图1所示。Ni层添加7wt%的V以降低溅射工艺过程中界面的磁性。焊接过程中充入氮气作为保护气氛。95.5Sn-3.5Ag-1.0Cu以及63Sn-37Pb均以贴片状排在UBM上。然后对SnAgCu及SnPb焊料试样分别在波峰温度为260℃及220℃进行回流焊接以形成锡球。形成的锡球的平均直径为120μm。对图1所示的封

7、装连接进行多重回流、润湿反应或固态时效。多重回流焊接采用5区间回流炉（SS70，BTUUSA）对SnPb和SnAgCu焊料分别在260℃及220℃回流焊接20次。每次超过液相温度的加热时间为60秒。在润湿反应中，SnAgCu试样在260℃分别连续加热5，10，20分钟，熔化的焊料与固态薄膜发生反应。然后在150℃空气中时效1000小时以促进固-固界面反应。在经过上述处理后，将试样用环氧树脂固定，用金刚石研磨膏抛光成颗粒大小为1μm。为了观察形成的IMC的形态，一些抛光后的试样用HCl体积分数为2%的甲醇溶液进行轻微腐蚀。用SEM

8、（JSM-6700F，JEOLJapan）观察焊料、UBM的显微组织以及IMC的形态。用EDX仪器对IMC及UBM层进行成分分析。此EDX系统的空间分辨率为在目标方向上面积直径小于1μm。斑点分析，线扫描，成分映射的收集时间分别为3，10，30分钟，成分检测精度