0 引言

    倒裝焊技術(shù)由于芯片引出端采用面陣列排布方式,，具有信號傳輸距離短、高密度,、高頻性能優(yōu)異,、低串?dāng)_和高可靠等特點(diǎn)，是解決高密度先進(jìn)封裝最為有效的途徑之一,，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高密度集成電路封裝中,。倒裝焊工藝中，首先在芯片引出端焊盤上制備凸點(diǎn),，然后使芯片翻轉(zhuǎn),，并與外殼焊盤焊接，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械互連和電氣互連,。凸點(diǎn)制備通常采用Sn-Pb焊料,，主要依靠焊料中的Sn與UBM發(fā)生冶金反應(yīng)，焊料中的Pb并不發(fā)生反應(yīng),。研究表明,，當(dāng)Sn含量不同時(shí)，界面處形成的金屬間化合物不盡相同^[1],，而金屬間化合物則是直接影響凸點(diǎn)焊接質(zhì)量及長期可靠性的關(guān)鍵因素之一,，尤其在高溫存儲條件下,，金屬間化合物的成分,、厚度及晶粒形態(tài)等均會發(fā)生顯著變化，進(jìn)而影響倒裝焊器件的長期可靠性,，因此進(jìn)行高溫存儲條件下不同成分Sn-Pb凸點(diǎn)可靠性研究就顯得尤為必要,。

1 材料準(zhǔn)備及試驗(yàn)方法

    選用共晶Sn-Pb焊球（63Sn37Pb）及3種常見的高鉛焊球（10Sn90Pb,、5Sn95Pb及3Sn97Pb）,，使之分別與常見的Ti-Cu-Ni結(jié)構(gòu)UBM發(fā)生冶金反應(yīng)形成凸點(diǎn),，焊球直徑為100 ?滋m；選用適用于高溫Sn-Pb焊料的助焊劑,，最高可承受360 ℃高溫,；選用菊花鏈芯片,，UBM為Ti-Cu-Ni結(jié)構(gòu),，直徑為85 μm,。

    選用不同成分的Sn-Pb焊球,，經(jīng)助焊劑印刷并回流形成凸點(diǎn),，然后對帶有凸點(diǎn)的芯片樣品進(jìn)行高溫存儲試驗(yàn),，存儲溫度為150 ℃，存儲時(shí)間節(jié)點(diǎn)分別為100 h,、500 h及1 000 h,。利用剪切拉脫測試儀對凸點(diǎn)進(jìn)行剪切強(qiáng)度測試,；利用掃描電鏡觀察凸點(diǎn)的微觀組織及IMC形貌；利用Photoshop軟件對IMC厚度進(jìn)行提取,，對IMC生長情況進(jìn)行分析,。通過上述手段分析高溫存儲對凸點(diǎn)可靠性的影響。

2 凸點(diǎn)可靠性分析

2.1 凸點(diǎn)力學(xué)性能分析

    4種Sn-Pb凸點(diǎn)抗剪切強(qiáng)度隨高溫存儲的變化情況如圖1所示,。

    對于3Sn97Pb和10Sn90Pb凸點(diǎn)而言,，其剪切強(qiáng)度隨高溫存儲試驗(yàn)的進(jìn)行，整體上均呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢,，10Sn90Pb凸點(diǎn)的剪切強(qiáng)度數(shù)值始終大于3Sn97Pb。在高溫存儲過程中,，5Sn95Pb凸點(diǎn)的剪切強(qiáng)度呈逐漸下降的趨勢,，63Sn37Pb凸點(diǎn)的剪切強(qiáng)度變化不大，整體較為穩(wěn)定,。高溫存儲試驗(yàn)中,，63Sn37Pb凸點(diǎn)的剪切強(qiáng)度始終最大，其次為10Sn90Pb,。3種高鉛凸點(diǎn)中,，10Sn90Pb凸點(diǎn)的力學(xué)強(qiáng)度最大，且剪切強(qiáng)度值的波動幅度最小,，這說明在高溫存儲過程中,，相較于其他兩種高鉛凸點(diǎn)，10Sn90Pb的力學(xué)性能最好,。

2.2 凸點(diǎn)界面反應(yīng)分析

    經(jīng)過高溫存儲后不同凸點(diǎn)的橫截面照片如圖2～圖5所示,。

    由圖2可知，在高溫存儲過程中,，3Sn97Pb凸點(diǎn)界面處IMC層厚度無明顯增大,，100 h高溫存儲后在界面處可觀測到團(tuán)簇狀晶粒的存在；當(dāng)高溫存儲進(jìn)行到500 h時(shí),，界面處IMC層較100 h更為平坦,，但能觀測到細(xì)齒狀凸起,；當(dāng)高溫存儲進(jìn)行到1 000 h時(shí)，團(tuán)簇狀晶粒橫向尺寸明顯增大,，并開始出現(xiàn)扇貝化趨勢,。

    由圖3和圖4可知，5Sn95Pb凸點(diǎn)在高溫存儲過程中界面處IMC層厚度略有增大,，當(dāng)高溫存儲達(dá)到1 000 h時(shí),，界面處IMC層呈現(xiàn)扇貝狀結(jié)構(gòu)。在高溫存儲過程中,，10Sn90Pb凸點(diǎn)界面處IMC層始終保持為連續(xù)的層狀結(jié)構(gòu),，隨著時(shí)間的延長，IMC層厚度不斷增大,。

    由圖5可知,，63Sn37Pb凸點(diǎn)界面處IMC層的形態(tài)在高溫存儲過程中存在較為明顯的變化，回流完成時(shí)IMC層厚度很小,，且能觀測到細(xì)長狀的凸起,，焊料內(nèi)部的富Sn相尺寸很小，彌散分布在凸點(diǎn)中,；當(dāng)高溫存儲進(jìn)行到100 h時(shí),，IMC層厚度已明顯增大，約變?yōu)榛亓骱蟪跏己穸鹊?倍,，IMC層較為平坦,，不同區(qū)域的IMC層厚度較為一致，此外焊料內(nèi)部出現(xiàn)大面積的Sn的富集,；隨著高溫存儲時(shí)間的繼續(xù)進(jìn)行,，IMC層厚度和焊料內(nèi)部的富Sn相尺寸繼續(xù)增大；當(dāng)高溫存儲進(jìn)行到1 000 h時(shí),，界面處IMC層厚度為初始厚度的7.5倍左右,，呈現(xiàn)出扇貝狀形態(tài)，焊料內(nèi)部的富Sn相大面積橋連,。

    高溫存儲過程中不同成分凸點(diǎn)IMC層厚度的變化情況如圖6所示,。由圖6可知，隨著高溫存儲的進(jìn)行,，4種成分凸點(diǎn)界面處IMC厚度逐漸增加,，在高溫存儲初期，63Sn37Pb界面處IMC厚度增長最快,，其次為10Sn90Pb,，3Sn97Pb和5Sn95Pb凸點(diǎn)IMC厚度增長速度相差不大，這與二者的Sn含量相近有關(guān),。此外,，隨高溫存儲過程的進(jìn)行,，4種凸點(diǎn)界面處IMC厚度增長速度均有不同程度的減緩，當(dāng)高溫存儲進(jìn)行到500 h左右時(shí),，3Sn97Pb凸點(diǎn)IMC厚度即不再發(fā)生變化,。1 000 h高溫存儲完成后，3Sn97Pb和5Sn95Pb凸點(diǎn)界面處IMC層厚度值相差無幾,，63Sn37Pb凸點(diǎn)界面處IMC厚度值最大,。在相同的條件下，界面處IMC層的厚度仍與焊料中Sn元素的含量有關(guān),，Sn含量越高,，高溫存儲后形成的IMC層也越厚^[2]。

    高溫存儲后不同成分凸點(diǎn)界面處IMC的top view形態(tài)如圖7所示,。

    由圖7可知,，在高溫存儲試驗(yàn)過程中，4種成分凸點(diǎn)的IMC晶粒形態(tài)均發(fā)生了明顯變化,。當(dāng)高溫存儲進(jìn)行到100 h時(shí),，4種凸點(diǎn)界面處IMC晶粒形態(tài)均出現(xiàn)棱晶狀向貝殼狀轉(zhuǎn)變的趨勢^[3]。通過EDX分析后可知,，此時(shí)3Sn97Pb和5Sn95Pb凸點(diǎn)界面處IMC的主要成分為Ni3Sn2和Ni3Sn,，10Sn90Pb和63Sn37Pb 凸點(diǎn)界面處IMC的主要成分為Ni3Sn4。

    當(dāng)高溫存儲進(jìn)行到500h時(shí),，5Sn95Pb和10Sn90Pb凸點(diǎn)的IMC中均觀測不到細(xì)軸狀晶粒的存在,，晶粒出現(xiàn)粗化，呈現(xiàn)出不規(guī)則的扇貝狀結(jié)構(gòu),，而此時(shí)63Sn37Pb凸點(diǎn)的IMC晶粒嚴(yán)重粗化，轉(zhuǎn)變?yōu)槲菁範(fàn)罱Y(jié)構(gòu),。3Sn97Pb凸點(diǎn)界面處IMC晶粒仍保持棱晶狀,。對于3Sn97Pb和5Sn95Pb凸點(diǎn)而言，高溫存儲500h后,，IMC的主要成分仍為Ni3Sn2和Ni3Sn,，這是因?yàn)榕c其他兩種焊料相比，3Sn97Pb和5Sn95Pb焊料中Sn含量最少,，因此,，即使經(jīng)過長時(shí)間的高溫存儲，Sn原子有充足的時(shí)間可擴(kuò)散至IMC/焊料的界面處,，但是擴(kuò)散的Sn原子數(shù)量相較于Ni原子而言仍然非常少^[4],，所以在界面處只能形成Ni3Sn和Ni3Sn2。

    此時(shí)10Sn90Pb凸點(diǎn)界面處IMC的主要成分為Ni3Sn4和Ni3Sn2,。在靠近焊料的一側(cè),，IMC的主要成分為Ni3Sn4,，靠近焊盤的一側(cè)IMC主要成分為Ni3Sn2，這種現(xiàn)象是由原子濃度梯度不同導(dǎo)致的^[5],。由Ni-Sn二元相圖可知,，在10Sn90Pb凸點(diǎn)回流焊初始階段，焊盤中的Ni不斷溶解到熔融焊料中,，Ni和Sn原子供應(yīng)均充足,，此時(shí)形成的金屬間化合物主要是Ni3Sn4。在回流之后,，隨著高溫存儲的不斷進(jìn)行,，Sn原子濃度逐漸降低，導(dǎo)致Sn原子供應(yīng)不足,，而在IMC/焊盤的界面處,，Sn原子通過擴(kuò)散作用到達(dá)該處，與焊盤中的Ni原子發(fā)生反應(yīng)形成IMC,，此時(shí)Ni原子相對過量,，因此形成Ni3Sn2。高溫存儲過程中,，63Sn37Pb界面處IMC的主要成分始終為Ni3Sn4,。

    在高溫存儲過程中，不同成分凸點(diǎn)中IMC晶粒尺寸的增加速度也呈現(xiàn)出較為明顯的差異：在高溫存儲試驗(yàn)前期,，63Sn37Pb凸點(diǎn)IMC生長速度最快,，晶粒粗化現(xiàn)象也最為嚴(yán)重；10Sn90Pb凸點(diǎn)IMC晶粒生長速度其次,，隨著焊料中Sn含量的降低,，在高溫存儲過程中IMC晶粒的生長速度也逐漸降低；當(dāng)高溫存儲試驗(yàn)進(jìn)行到一定時(shí)間后,，不同成分的凸點(diǎn)界面處IMC晶粒的生長速度均有所減慢,。經(jīng)過500h高溫存儲后，63Sn37Pb凸點(diǎn)IMC晶粒尺寸最大,，3Sn97Pb凸點(diǎn)中晶粒尺寸最小,。

3 結(jié)論

    本文通過對比經(jīng)歷高溫存儲試驗(yàn)前后3Sn97Pb、5Sn95Pb,、10Sn90Pb以及63Sn37Pb凸點(diǎn)的力學(xué)性能,、IMC層厚度及IMC晶粒形貌，得出以下結(jié)論：

    (1)隨著高溫存儲試驗(yàn)的進(jìn)行,，不同成分凸點(diǎn)的剪切力整體上呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,，其中10Sn90Pb凸點(diǎn)剪切強(qiáng)度波動幅度最小；

    (2)界面處IMC層厚度與焊料中Sn元素含量有關(guān),，Sn含量越高,，高溫存儲后形成的IMC層越厚，63Sn37Pb界面IMC變化最為明顯,；

    (3)焊料中Sn含量越低,，高溫存儲過程中IMC晶粒的生長速度越低，其中63Sn37Pb凸點(diǎn)IMC生長速度最快,，晶粒粗化現(xiàn)象最為嚴(yán)重,，10Sn90Pb凸點(diǎn)IMC生長速度其次；

    (4)高溫存儲過程中,，63Sn37Pb界面處IMC的主要成分始終為Ni3Sn4,，10Sn90Pb凸點(diǎn)界面處IMC的主要成分為Ni3Sn4和Ni3Sn2。

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作者信息:

文惠東，林鵬榮,，曹玉生,，練濱浩，王  勇,，姚全斌

(北京微電子技術(shù)研究所，北京100076)