sn-ag系无铅焊料与单晶铜的界面反应

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1、上海交通大学硕士学位论文Sn-Ag系无铅焊料与单晶铜的界面反应硕士研究生：梁嘉星学号：1120509098导师：胡安民副教授企业导师：王溯高级工程师申请学位：工程硕士学科：材料工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2015年1月授予学位单位：上海交通大学DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterINTERFACIALREACTIONSBETWEENSN-AGLEAD-FREESOLDERANDSINGLECRYSTALCUCandidate：Liang

2、JiaxingStudentID:1120509098Supervisor：Prof.HuAnminAssistantSupervisor:Dr.WangSuAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MaterialsEngineeringSchoolofMaterialsScienceandAffiliation：EngineeingDateofDefence：Jan,2015Degree-Conferring-ShanghaiJiaoTongUniversityInstituti

3、on：上海交通大学硕士学位论文Sn-Ag系无铅焊料与单晶铜的界面反应摘要随着高密度的电子封装技术快速发展，焊点的尺寸和互连高度不断减小，界面反应和界面微观结构对焊点性能的影响越来越大，对焊点的可靠性提出了新的要求。另一方面，Sn-Ag系合金焊料被认为是迄今为止封装行业中最理想的无铅焊料。但是，Sn-Ag二元合金相比于传统锡铅焊料，在润湿性和熔点上仍有一定差距。通过加入其它元素的方式能够提高Sn-Ag合金的性能，其中最具有发展前景的是SnAgZn和SnAgCu合金。本文选取了Sn-3.5Ag-0.7Cu、Sn-2Ag-2.5Zn、Sn-2Ag-4Zn作

4、为焊料合金，利用单晶铜作为基体，采用等温时效的方法，对不同焊料和铜单晶的界面反应进行研究，得出金属间化合物(IntermetallicCompound，IMC)的分析结果，及其生长动力学随基体取向和焊料组分的变化规律；此外，本文还探讨了互连高度对焊点IMC生长的影响。研究表明：Sn-3.5Ag-0.7Cu/Cu焊点在回流过程中，界面处形成Cu6Sn5金属间化合物，单晶铜表面铜原子的溶解速率更快，在靠近铜一侧的焊料中形成铜浓度较高的区域，生成的Cu6Sn5层厚度要比多晶铜的更大。(111)晶面铜单晶上的Cu6Sn5呈棱柱状分布，具备一定的择优取向。随着

5、回流温度的升高，(111)晶面铜单晶上的Cu6Sn5逐步从扇贝状向棱柱状变化。在老化的过程当中，界面金属间化合物层的厚度持续增大，IMC形貌变得平整，在Cu6Sn5层和铜基板之间出现Cu3Sn层，单晶铜上Cu3Sn的生长速率大于多晶铜上Cu3Sn的生长速率，相反地，单晶铜上Cu6Sn5的生长速率小于多晶铜上Cu6Sn5的生长速率。Sn-2Ag-2.5Zn/Cu焊点在回流过程中界面形成一层连续的扇贝状Cu6Sn5，单晶铜表面形成Cu6Sn5晶粒尺寸要比多晶铜的大。当采用含第I页上海交通大学硕士学位论文Zn量较高的Sn-2Ag-4Zn焊料进行焊接时，界面

6、形成Cu5Zn8和Cu6Sn5双层结构。时效过程中，Cu5Zn8不稳定，发生破碎，焊料与铜基板直接接触造成Cu6Sn5快速生长。互连高度对于Cu/SnAgCu/Cu的界面反应有一定影响。在回流过程中，随着互连高度的减小，界面IMC的厚度减小。对于10μm焊点，当时效时间达到384h，上下界面的IMC相互接触，焊料层消耗完全，Cu6Sn5停止生长。Cu/SnAgCu/Cu焊点的上下界面IMC具有不同生长速率，(111)铜上的Cu3Sn的生长速率要远大于多晶铜上Cu3Sn的生长速率。主要原因是(111)铜上形成的Cu3Sn晶粒呈柱状分布，且晶界基本与(1

7、11)铜表面垂直，多晶铜上形成的Cu3Sn呈不规则分布。Cu原子沿晶界扩散的速率最快，造成(111)铜上Cu3Sn的生长速率更快。关键词：界面反应，无铅焊料，单晶铜，互连高度第II页上海交通大学硕士学位论文INTERFACIALREACTIONSBETWEENSN-AGLEAD-FREESOLDERANDSINGLECRYSTALCUABSTRACTWiththerapiddevelopmentofhigh-densityelectronicpackagingtechnology,thesizeandstand-offheight(SOH)ofsol

8、derjointsdecreaseconstantly.Therefore,interfacialreact