Cu-Sn界面固態(tài)擴(kuò)散行為及Cu3Sn-Cu界面空洞的形成機(jī)制.pdf

1、PCB(Printed Circuit Board)上電鍍Cu焊盤與Sn基釬料所形成的接頭在固態(tài)老化后，可以在Cu3Sn/Cu界面觀察到空洞的出現(xiàn)，這種Cu3Sn/Cu界面空洞會降低接頭在動態(tài)載荷作用下的力學(xué)性能，影響PCB電路板的板級跌落可靠性。對于Cu3Sn/Cu界面空洞的形成機(jī)制，多數(shù)觀點(diǎn)將其歸結(jié)于Kirkendall效應(yīng)，但是，最新研究結(jié)果表明Cu3Sn/Cu界面空洞的形成機(jī)制還受其他一些因素影響。
　　Cu3Sn/Cu界

2、面空洞問題涉及Cu/Sn基釬料界面固態(tài)反應(yīng)，為了能更加深入地了解Cu3Sn/Cu界面空洞的形成過程，首先對Cu/Sn基釬料界面固態(tài)反應(yīng)進(jìn)行了原位定量研究。根據(jù)Cu3Sn/Cu界面空洞降低PCB電路板板級跌落可靠性的事實(shí)，預(yù)測這種Cu3Sn/Cu界面空洞必然會影響單個焊點(diǎn)在動態(tài)載荷作用下的力學(xué)行為。因此，對單個焊點(diǎn)在高速剪切載荷作用下的力學(xué)性能也進(jìn)行了研究。進(jìn)一步，通過對多種Cu3Sn/Cu界面空洞傾向不同的Cu基板的組織成分的對比分析，

3、歸納總結(jié)導(dǎo)致Cu3Sn/Cu界面空洞形成及生長的關(guān)鍵因素，并采用動力學(xué)觀點(diǎn)研究空洞的形成及生長過程，確定導(dǎo)致Cu3Sn/Cu界面空洞問題的機(jī)制。
　　在Cu/Sn3.0Ag0.5Cu(SAC305)接頭界面處用納米壓痕點(diǎn)作為定量標(biāo)記，原位定量研究了固態(tài)老化過程中各界面的移動以及金屬間化合物的相互轉(zhuǎn)化情況。通過對界面反應(yīng)的原位定量研究，發(fā)現(xiàn)Kirkendall效應(yīng)并不足以導(dǎo)致Cu3Sn/Cu界面空洞問題，在電鍍Cu接頭老化中存在其他

4、一些物理過程對Cu3Sn/Cu界面空洞的形成及生長有著更重要的作用。
　　對電鍍Cu焊盤和無氧Cu基板的Cu3Sn/Cu界面空洞傾向進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)Cu3Sn/Cu界面空洞更易出現(xiàn)于電鍍Cu焊盤的焊點(diǎn)中。制備了電鍍Cu焊盤與SAC305和Sn37Pb兩種釬料的BGA(Ball Grid Array)焊點(diǎn)，對焊點(diǎn)進(jìn)行了靜態(tài)剪切試驗(yàn)和動態(tài)剪切試驗(yàn)，對比分析了Cu3Sn/Cu界面空洞對焊點(diǎn)力學(xué)性能特別是高速剪切載荷下的斷裂失效行為的影響

5、。試驗(yàn)結(jié)果表明，Cu3Sn/Cu界面空洞并不會影響這兩種焊點(diǎn)的靜態(tài)剪切性能以及Cu/Sn37Pb焊點(diǎn)的高速剪切性能。但是Cu3Sn/Cu界面空洞會影響Cu/SAC305焊點(diǎn)在高速剪切載荷作用下的斷裂模式，斷裂多發(fā)生于空洞聚集的Cu3Sn/Cu界面及附近的Cu3Sn層中。
　　通過對電鍍Cu焊盤和無氧Cu基板Cu3Sn/Cu界面空洞的觀察以及對兩種Cu基板組織及成分的分析，發(fā)現(xiàn)Kirkendall效應(yīng)并不是導(dǎo)致Cu3Sn/Cu界面空

6、洞的唯一因素，Cu基板的晶粒尺寸對Cu3Sn/Cu界面空洞有著重要作用。為了進(jìn)一步驗(yàn)證晶粒尺寸對Cu3Sn/Cu界面空洞的影響，設(shè)計制備了磁控濺射Cu基板，并和高純無氧Cu基板和單晶Cu基板對比，確定了晶粒尺寸確實(shí)對Cu3Sn/Cu界面空洞有著重要作用。細(xì)小的晶粒尺寸可以增加有效空位(EV,Effective Vacancy)密度并且固態(tài)老化過程中晶界能減少所釋放的能量將為Cu3Sn/Cu界面空洞的形成提供除Kirkendall效應(yīng)之外

7、另一種驅(qū)動力，從動力學(xué)角度解釋了晶粒尺寸影響Cu3Sn/Cu界面空洞的原因。Cu3Sn/Cu界面空洞的形成過程是一個動力學(xué)過程，包括空位的形核及生長兩個階段，其中空位的形核方式又可以分為均勻形核與非均勻形核。利用磁控濺射Cu基板研究了空位的均勻形核過程，發(fā)現(xiàn)均勻形核過程不需要非均勻形核質(zhì)點(diǎn)，但均勻形核需要的形核能較高，形核較為困難，所導(dǎo)致的Cu3Sn/Cu界面空洞傾向較弱。利用含有添加劑和不含添加劑的鍍液制備的電鍍Cu焊盤以及焦磷酸鹽鍍

8、銅液制備的Cu焊盤研究了添加劑殘留及電鍍?nèi)毕莸确蔷鶆蛐魏速|(zhì)點(diǎn)對空位非均勻形核的影響，發(fā)現(xiàn)非均勻形核質(zhì)點(diǎn)可以降低空位的形核能，致使電鍍Cu焊盤呈現(xiàn)嚴(yán)重的Cu3Sn/Cu界面空洞傾向。最后，利用高能離子注入方法制備了含有雜質(zhì)元素P及注入缺陷的高純無氧Cu基板試樣，確認(rèn)了在Cu3Sn/Cu界面存在Kirkendall效應(yīng)和非均勻形核質(zhì)點(diǎn)，而沒有晶粒尺寸(有效空位)這個影響因素時，并不能導(dǎo)致Cu3Sn/Cu界面空洞，晶粒尺寸對Cu3Sn/Cu界

9、面空位的均勻形核與非均勻形核均有重要影響。
　　根據(jù)Cu3Sn/Cu界面空洞形成機(jī)理的研究結(jié)果，提出了兩種消除或抑制電鍍Cu焊盤Cu3Sn/Cu界面空洞問題的有效方法。一種是對電鍍Cu焊盤進(jìn)行低溫的長期固態(tài)老化處理，通過增大Cu焊盤的晶粒尺寸來抑制Cu3Sn/Cu界面空洞形成的驅(qū)動力，消除或抑制Cu3Sn/Cu界面空洞。另一種是對電鍍Cu焊盤進(jìn)行快速退火處理，快速退火處理一方面可以增大Cu焊盤的晶粒尺寸，另一方面可以使殘留在電鍍C