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。 ?dpmkr
1．引 言 `=Bb85?4
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。 ZcfS,=Y,K
倒装芯片连接系统可以分为UBM层（under bump metallization，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。 $0iR aRgJ
本研究中，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。 q4`K{&sC%n
2．实 验 1{(VE_w_m
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7 wt%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。 6B1!7n|
对图1所示的封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，BTU USA）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（JSM-6700F，JEOL Japan）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，成分检测精度为±2%。 6&d Gh a
用Dage剪切力测试仪在剪切速度为200μm/s，剪切高度为15μm下测量焊料的剪切强度，然后用SEM观察断裂表面形貌。 *,pKi %
3．实验结果 3xZRi^Cno
3．1多重回流焊接后IMC及UBM薄膜的显微组织 5E;ttw
图2为SnAgCu焊料在UBM为Al/Ni（V）/Cu的薄膜结构分别回流焊接1，5，10，20次后的剖面形态SEM图。经过回流焊接后，在焊球内部发现两种IMC，分别为Cu6Sn5（或（Cu，Ni）6Sn5）及Ag3Sn。Cu6Sn5主要存在于界面，也有部分大的Cu6Sn5存在于焊料内部。细小的Ag3Sn颗粒均匀分布在焊料内部，偶尔发现大的板状的Ag3Sn。 #5c@XyM ''
经过轻微腐蚀去掉焊料后，获得如图3所示的清楚的界面IMC图。在一次回流焊接后，IMC为图3（a）所示的直径为1-3μm的半球形扇贝状。经过5次回流后，IMC的形态从球形扇贝状转变为拉长的扇贝状或杆状，长径比也随着增加。IMC开始出现棱角且开始脱离UBM层。在随后的回流中，IMC的形态没有发生明显的变化。在达到15次回流焊接时，IMC与UBM连接良好，如图3（b）、3（c）所示。回流20次后，一些杆状IMC开始脱离UBM进入焊料里面，如图3（d）所示。一旦发生这种情况，焊料与UBM的连接强度变得很小。 1(`&%o`11U
图4为SnAgCu试样在一次回流后Al、Ni、Sn及Cu的EDX成分映射图。从图上可以明显看到，在一次回流焊接后，扇贝状IMC主要为Cu6Sn5。在焊料与UBM界面没有残余的Cu或Cu3Sn相。Cu6Sn5中Ni的含量随着回流次数的增加而增加。在5次回流后，Ni的含量达到5 wt%，如图5的A颗粒所示。然而每个IMC颗粒中Ni的含量都不一样。图5中B颗粒中没有发现Ni成分。在20次回流焊接后，Ni开始均匀分布在Cu6Sn5里面，含量也达到了6 wt%。 7OO #0Aa
图6为SnAgCu体系分别在1，10，20次回流焊接后，再将焊料腐蚀掉后从上面视角观察的IMC形态。在260℃回流焊接后，IMC为杆状，长径比为5：1。由于存在这些杆状IMC，焊料与UBM的界面变得粗糙。需要指出的是，UBM中的Cu层在一次回流焊接后就被消耗完。原以为Cu6Sn5的体积会保持不变，然而，从图2的SEM剖面图及图6的上方视角图中表明IMC的体积随着回流次数的增加而增加。 GEii$i
高分辨率的SEM背散射图可以看到随着回流焊接SnAgCu焊料次数的变化Al/Ni（V）/Cu UBM的转变过程。在一次回流焊接后，Cu层完全被消耗，转化成Cu6Sn5，而Ni（V）层则依然完好，如图7（a）所示。在5次焊接后，在Ni（V）层发现白色斑点，如图7（b）所示。经过EDX分析，此白色斑点主要成分为Sn、V及Al。检测到的Al可能来自UBM薄膜结构底部的Al层。在回流焊接次数达到10次时，白色斑点一直受Ni（V）层所控制，如图7（c）所示。在回流20次后，Ni（V）层消失，IMC与Al层被Sn层分离，如图7（d）所示。有意思的是，取代最初Ni（V）层的是Sn层而不是Ni-Sn IMC层。图8为SnAgCu试样在10次回流焊接后穿过两个Cu6Sn5 颗粒A和B的EDX线扫描图。在A颗粒中仍然存在Ni层，出现明显的Ni峰，如图8（b）所示。然而在B颗粒中Ni层消失，被Sn取代。如图8（c）所示。通过图8（b）及8（c）可以看到，在回流焊接后，V的分布状况并没有改变。 Rg~P2u:pt
3．2润湿反应及固态时效后的IMC和UBM薄膜的显微组织 Z /^U qEAy
对刚焊接的SnAgCu试样经过润湿反应及固态时效。在润湿反应中，试样在260℃分别持续恒温加热5，10，20分钟，而不是象多重回流焊接那样经历一些加热及冷却曲线。与260℃多重回流焊接相比，IMC的显微组织类似。然而研究发现在润湿反应中显微组织的转变以及UBM薄膜与焊料间的界面反应比多重回流焊接的快。图9中可以看到，在加热10分钟后，Sn取代了大部分的Ni层，当加热20分钟后，Ni层完全被Sn取代。 _BJ6RVvur
然而，在固态时效时，UBM薄膜要稳定的多。在150℃下时效24小时后，在焊料内部形成了大的Ag3Sn IMC，如图10（a）所示。Cu6Sn5颗粒仍然为扇贝状。当时效达到500小时时，扇贝状的Cu6Sn5转变成分布在界面的IMC层，如图10（b）所示。需要指出的时，虽然在150℃时效时，IMC的形态发生改变，但是仍然保持着同样的体积。Ni（V）层在150℃时效1000小时后，仍然与Cu6Sn5连接良好。在Cu6Sn5里面没有发现Ni表明在150℃时Ni在固态Cu6Sn5中扩散非常缓慢。 "`mr/{dW
通过比较可以明显的发现，在UBM为Al/Ni（V）/Cu薄膜时的SnAgCu焊接接点的液固界面比固固界面的界面反应要快的多。类似的还有关于SnPb与Cu的报道。 $mGGAQgBG
3．3试样在多重回流焊接后的焊球剪切强度及失效方式 %nj|c ^f
对刚多重回流焊接过的SnAgCu试样进行剪切测试。剪切焊球的剪切力在20次回流焊接后均为一60g左右的常量。然而随着回流次数的增加，失效方式则由韧性断裂转变为脆性断裂。在达到10次回流焊接时，失效方式仍然发生在焊料内部的韧性断裂，如图11（a）所示。只有当回流焊接次数为10次以后才观察到脆性断裂。图11（b）为脆性裂纹在UBM外部的焊料与Al层界面形成，然后通过脆性（Cu，Ni）6Sn5区域扩展。 >ODMnR6
3．4共晶SnAgCu与共晶SnPb焊料的比较 csF,&+-8M
为了将SnAgCu与SnPb进行比较，同时对UBM为Al/Ni（V）/Cu薄膜的SnPb经过220℃多重回流焊接后的焊点进行了研究。共晶SnPb体系中，在一次回流焊接时，形成扇贝状的Cu6Sn5，在界面同时还看到了Cu3Sn，但是仍然存在残留的Cu层。然而，UBM中的Ni（V）层在220℃回流20次后仍然保存完好，这与先前别人研究公布的结果一致。通常认为Cu6Sn5在Ni（V）层的表面能较低，因此不会碎裂，并且很好地阻碍了焊料与Ni（V）之间的扩散。因此，尽管在SEM图中两个扇贝状Cu6Sn5颗粒之间看到很少的一些白斑（Sn），Ni（V）一直受到保护，如图12所示。 %
