Sn-35Bi-1Ag无铅焊点界面反应研究

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1、密级：分类号：ｕＵＤＣ：４０５９０６３１５０１７：学号南昌大学硕士研究生学位论文Ｓｎ－３５Ｂ－１Ａｉｇ无铅焊点界面反应研究ｔ－－ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＩｎｔｅｒｆａｃｉａｌＲｅａｃｉｏｎｏｆＳｎ３５Ｂｉ１ＡｇＬｅａｄ－ｆｒｅｅＳｏｔｓｌｄｅｒＪｏｉｎ卢汉桥培养单位（院：、系）机电工程学院材料成型及控制系指导教师姓名：李玉、职称龙教授申请学位的学科门类：工学学科专业名称：材料加工工程论文答辩日期：２０１８年０５月２８日答辩委员会主席：评阅人：＼年月日摘要摘要随着集成电路中互连焊点微型化及互连材料无铅化的发

2、展趋势，微电子工业界对互连焊点的可靠性越来越重视。影响互联焊点可靠性的最关键因素是界面反应，因此，对无铅钎料的界面反应展开深入研究具有重要意义。Sn-Bi系无铅钎料以其熔点低、润湿性好等特性被认为是传统Sn-Pb钎料的理想替代品并已在工业中得到应用。本文以熔点最接近Sn-37Pb的Sn-35Bi-1Ag无铅钎料为研究载体，分别选取电子工业中广泛使用的Cu、Ni-P/Cu为焊盘金属层，对两种典型Sn-35Bi-1Ag无铅焊点的界面反应进行了研究，针对焊点服役过程产生的缺陷，提出以Ni-Co-P改性层取代传统Ni-P扩散阻挡层的解决方案，并探究了Ni-Co-P镀层对焊点界面反应的影响。相

3、关研究内容如下：（1）Sn-35Bi-1Ag/Cu的焊点界面反应研究。研究了Sn-35Bi-1Ag/Cu的焊点微观组织演变、界面IMC的生长行为及晶粒粗化行为，结果表明回流后的界面为扇贝状Cu6Sn5层，时效过程中Cu6Sn5层不断变厚，并有很薄的Cu3Sn层出现在Cu6Sn5/Cu界面，最终的界面为较厚的层状Cu6Sn5和较薄的Cu3Sn层。在Cu3Sn生长过程中，界面处有Bi偏析和Kirkendall空洞出现，对焊点可靠性产生削弱作用。IMC层的生长动力学结果显示，130℃和150℃时效温度的IMC生长速率0.50.5常数分别为0.0993um/h和0.1413um/h，可见焊点

4、服役温度不同，IMC生长速度也不一样。150℃的时效温度下，Cu6Sn5和Ag3Sn晶粒的生长指数分别为0.2388和0.3370，可见晶粒的粗化行为与晶粒种类有密切关系。（2）Sn-35Bi-1Ag/Ni-P/Cu焊点界面反应研究。通过制备薄(约1um)、中(约5um)、厚(约10um)三种Ni-P镀层，研究扩散阻挡层厚度对界面反应的影响。结果表明，经回流与时效后，薄镀层焊点界面最终呈现复合层状结构(Cu,Ni)6Sn5+Ni2SnP+(Cu,Ni)6Sn5，而中、厚镀层的焊点界面最终均为(Ni,Cu)3Sn4+Ni2SnP+Ni3P的复合层状结构。非晶态Ni-P镀层时效过程中因消

5、耗而逐渐转化为Ni3P晶化层，Ni3P层增厚过程中内部伴随大量空洞或微裂纹出现，当Ni-P层全部转化为Ni3P后，Ni3P继续被消耗形成较为稳定的Ni2SnP化合物。生长动力学结果表明，薄、中、厚三种镀层的焊点界面IMC层的生长速率常数0.50.50.5分别为0.4040um/h，0.1137um/h，0.4399um/h，因此，中等厚度(约5um)I摘要的Ni-P镀层能符合最佳焊盘厚度参数指标。(3)Sn-35Bi-1Ag/Ni-Co-P/Cu焊点界面反应研究。具体对Ni-Co-P焊点服役过程中的界面微观组织结构、IMC生长行为进行了研究，并与同等条件的Cu、Ni-P焊点进行横向对

6、比。结果表明，Sn-35Bi-1Ag/Ni-Co-P/Cu焊点时效阶段界面IMC始终为(Ni,Co)3Sn4，未见Cu固溶物。(Ni,Co)3Sn4层增厚过程中，Ni-Co-P持续消耗生成(Ni,Co)3P，镀层始终保持良好的阻扩散性能，且无空洞、微裂纹出现，界面层未见Bi偏析现象。进一步的生长动力学结果显示，150℃固态时效的0.5Ni-Co-P焊点界面IMC层的生长速率常数为0.09843um/h，低于同等条件的Cu及Ni-P焊点中IMC层生长速率常数。Co元素有效减缓了焊接及服役阶段Ni-P镀层的晶化行为，提高了Ni-Co-P层的扩散阻挡效果，使焊点中IMC生长受到抑制。关键词

7、：无铅钎料；界面反应；金属间化合物；扩散阻挡层IIAbstractABSTRACTWiththedevelopmentofmicro-interconnectsolderjointsandlead-freeinterconnectmaterialsinintegratedcircuits,microelectronicsindustryispayingmoreandmoreattentiontothereliabilityofinterconnectsol