張焱 零的應(yīng) 姚宗湘 劉義凱 田佳俊 尹立孟 陳玉華
摘要:對Cu/Cu-cored+SAC305/Cu微焊點及Cu/SAC305/Cu微焊點進(jìn)行不同時長的熱時效試驗。借助掃描電鏡(SEM)、動態(tài)力學(xué)分析儀(DMA)等手段,分析熱時效時間對兩種結(jié)構(gòu)釬料焊點界面顯微組織及拉伸性能的影響。結(jié)果表明:隨著熱時效時間的增加,焊點界面組織晶粒逐漸粗化,IMC層逐漸增厚,焊點的抗拉強度不斷降低。與Cu/SAC305/Cu焊點相比,在熱時效時間相同的情況下,添加Cu核可以減緩焊點界面IMC的生長速率,提高焊點的抗拉強度,而對焊點微觀結(jié)構(gòu)形貌的影響不顯著。經(jīng)斷口分析發(fā)現(xiàn),兩種焊點斷口均表現(xiàn)為脆性斷裂特征;但Cu/Cu-cored+SAC305/Cu焊點斷口表面有少量韌窩,表現(xiàn)出一定的韌性。
關(guān)鍵詞:銅核焊點;熱時效;界面化合物;抗拉強度
中圖分類號:TG421? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? ? ? ? ?文章編號:1001-2003(2021)07-0006-05
DOI:10.7512/j.issn.1001-2303.2021.07.02
0? ? 前言
在高密度3D封裝中,微互連焊點趨向極小化和高密度化[1-4],其尺寸和間距越來越小,單位面積承載的熱量越來越高,散熱變得更加困難,更高的熱處理環(huán)境對焊點界面IMC的影響愈發(fā)顯著[5-7]。為了研究焊點在熱時效作用下的可靠性,國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的工作。謝仕芳[8]等研究了Sn3.0Ag0.5Cu0.05Cr/Cu焊點界面化合物(IMC)層的熱時效形貌及生長行為,結(jié)果表明微量Cr延緩了焊點界面IMC層的生長。時效時間越長,Cr的阻抑效果越明顯。姚健[9]等研究了Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊點在373 K不同熱時效時間下焊點界面IMC的生長和抗拉強度的變化,結(jié)果表明隨著時效時間的延長,界面IMC不斷增厚。Tanie[10]研究發(fā)現(xiàn),在熱循環(huán)作用下采用銅核制備的焊點斷裂時間要比常規(guī)釬料的長,主要是因為銅核焊點裂紋路徑較分散。
焊點界面IMC的形貌和厚度影響著焊點的力學(xué)性能[11-13]。目前國內(nèi)外對焊點性能的研究主要集中在微量合金元素改性,對Cu核加入后形成的復(fù)合焊點性能的研究相對較少。Cu核加入后,焊點界面數(shù)量及約束方式都將發(fā)生變化,也會影響焊點的使用可靠性。為此,文中對比研究不同熱時效時間條件下Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu和Cu/Cu-cored+Sn3.0Ag0.5Cu/Cu兩種焊點界面顯微組織的演變規(guī)律,探討熱時效致焊點拉伸失效的機(jī)制,為Cu核微互連焊點的結(jié)構(gòu)設(shè)計和可靠性評價提供必要的理論基礎(chǔ)。
1 試驗方法
采用直徑600 μm的T2純銅銅絲,Sn3.0Ag0.5Cu(SAC305)無鉛釬料和直徑φ500 μm的鍍鎳銅核球,自制夾具制備出焊點高度為600 μm的“ Cu/Cu-core+SAC305/Cu ”微焊點和“ Cu/SAC305/Cu ”微焊點,拉伸試樣的最終長度控制在60 mm左右,焊點的詳細(xì)制備過程及兩類焊點的結(jié)構(gòu)見文獻(xiàn)[14]。
將制備好的微焊點分為Cu/SAC305/Cu焊點(SAC焊點)和Cu/Cu-core+SAC305/Cu焊點(銅核焊點)兩組,放置在恒溫?zé)釙r效箱進(jìn)行時效處理,設(shè)置熱時效溫度為100 ℃,熱時效時間分別為0 h、24 h、48 h、100 h,旨在探討熱時效時間對兩種類型微焊點組織和性能的影響。將熱時效處理后的焊點進(jìn)行鑲嵌,打磨拋光后使用掃描電鏡對焊點進(jìn)行顯微組織觀察,采用Image-pro軟件測量界面IMC的厚度。采用DMAQ 800設(shè)備對熱時效后的焊點進(jìn)行拉伸試驗,試驗溫度設(shè)定為20 ℃。采用控制力模式,加載速率設(shè)置為1 N/min。每個參數(shù)下焊點的拉伸試驗分別重復(fù)3次,將所得數(shù)據(jù)求平均值,并用SEM掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌。
2 結(jié)果與討論
2.1 熱時效對微焊點界面顯微組織的影響
由于IMC是一種脆性相, IMC過厚會導(dǎo)致焊點的力學(xué)性能降低甚至發(fā)生疲勞失效,因此討論兩類焊點界面IMC形貌以及厚度的變化尤為重要。Cu/SAC305/Cu和Cu/Cu-cored+SAC305/Cu微焊點在100 ℃分別經(jīng)過0 h、24 h、48 h、100 h熱時效后的界面形貌分別如圖1和圖2所示。
由圖1、圖2可知,隨著熱時效時間增加,兩種焊點微觀組織均呈逐漸粗化趨勢,基體釬料中的孔洞數(shù)量有所增多。前期研究結(jié)果[11,14]顯示, Cu/Solder界面IMC為Cu6Sn5,Cu核/Solder界面IMC為(Cux,Ni1-x)6Sn5。隨著時效時間的延長,兩種結(jié)構(gòu)焊點的Cu/Solder界面處的IMC厚度均逐漸增加,但界面形貌基本沒變化,SAC305釬料焊點界面呈平面狀,銅核焊點的Cu/Solder和Cu核/Solder界面主要呈扇貝狀;Cu核/Solder界面處的IMC層隨時間變化不顯著。Cu/Solder和Cu核/Solder界面IMC厚度經(jīng)Image-pro軟件測量后數(shù)據(jù)見表1,并用柱狀圖3表示。
由圖3可知,兩種結(jié)構(gòu)微焊點的界面IMC厚度均隨著熱時效時間的增加而不斷變厚。相對于Cu/SAC305/Cu微焊點,Cu/Cu-cored+SAC305/Cu焊點界面IMC的增長速率略慢,Cu核/Solder界面處的IMC增長速率最慢,在熱時效時間相同的條件下,Cu/Cu-cored+SAC305/Cu焊點的Cu基/Solder界面IMC層略厚,說明釬料中添加Cu核可減緩焊點界面IMC層的生長速率。Cu核/Solder界面處IMC增長速率較慢,主要是因為銅核表面的鍍Ni層對界面IMC的生長有抑制作用[15-16],Ni元素能夠防止Sn向銅核中擴(kuò)散而形成過厚的界面化合物,即降低了界面化合物(Cux,Ni1-x)6Sn5的生長速率,從而使得界面IMC層較薄。
2.2 熱時效對微焊點拉伸性能的影響
熱時效時間對兩種類型焊點的拉伸試驗結(jié)果如表2所示。
根據(jù)表2繪制的拉伸曲線如圖4所示。由圖4可知,隨著熱時效時間的增加,Cu/Cu-cored+SAC305/Cu焊點及Cu/SAC305/Cu焊點的抗拉強度都出現(xiàn)下降,熱時效100 h后,兩種焊點的抗拉強度降低率分別為31.3%和34.0%,其主要原因是在熱時效處理中,微焊點持續(xù)處于高溫環(huán)境下,會導(dǎo)致其組織粗化,且隨著時間增加,粗化現(xiàn)象越明顯。晶粒的粗化會導(dǎo)致組織脆化,從而降低微焊點的抗拉強度。且Cu/Cu-cored+SAC305/Cu焊點的抗拉強度始終高于Cu/SAC305/Cu焊點。Cu核對整個微焊點起約束作用,相同熱時效條件下,Cu/SAC305/Cu焊點內(nèi)部存在的微缺陷和雜質(zhì)相對更多,拉伸時應(yīng)力集中于缺陷處,從而導(dǎo)致焊點更容易被拉斷。而在Cu/Cu-cored+SAC305/Cu焊點中,一部分釬料被高質(zhì)量銅核所替代,其內(nèi)部缺陷較小,受到的約束作用更大,表現(xiàn)出更大的拉伸斷裂強度,同時由于銅核與釬料間形成了致密的(Cux,Ni1-x)6Sn5化合物,在改變約束效果的同時會使“ Cu-core/Solder ”界面的抗拉伸強度更大,從而提高了整個焊點的抗拉強度。
100℃時效100 h后Cu/SAC305/Cu和Cu/Cu-core+SAC305/Cu兩種微焊點拉伸斷裂后的斷口形貌如圖5所示??梢园l(fā)現(xiàn),熱時效后兩種焊點的斷口形貌均傾向于解理斷裂,說明斷裂方式均為脆性斷裂。而在Cu/Cu-core+SAC305/Cu焊點斷口處發(fā)現(xiàn)有少量韌窩,表現(xiàn)為一定的韌性斷裂,表明銅核加入后可提高焊點的韌性。
3 結(jié)論
(1)隨著熱時效時間增加,兩種焊點的界面顯微組織明顯粗化,且孔洞等缺陷增多,界面IMC層平均厚度增加。相較于SAC微焊點,Cu核微焊點界面IMC的增長速率較慢。
(2)隨著熱時效時間增加,Cu/Cu-core+SAC305/Cu焊點及Cu/SAC305/Cu焊點的抗拉強度均下降,但Cu/Cu-core+SAC305/Cu微焊點的抗拉強度始終高于Cu/SAC305/Cu微焊點,這是因為銅核對整個焊點起著約束作用,同時與釬料間形成了致密的(Cux,Ni1-x)6Sn5化合物,使得銅核焊點的抗拉伸強度增加。
(3)相對于 Cu/SAC305/Cu焊點,經(jīng) 100 h 時效后 Cu/Cu-core+SAC305/Cu焊點斷口存在少量韌窩,表明銅核的加入提高了釬焊焊點的韌性。
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