润湿与固态反应比较分析

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：2次润湿反应后的总反应产物与200℃下1 min润湿反应的产物数量相等。对同一组样品分别研究润湿反应和固态老化。图2.23所示为焊料凸点与Cu UBM层在2次润湿反应后的横截面光学显微镜照片。2次润湿后形成金属间化合物的平均厚度通过笋钉状金属间化合物的横截面积总和除以金属间化合物总长度而获得。图2.25所示分别为125℃、150℃及170℃温度下经500、1 000和1 500 h老化后测量得到的金属间化合物厚度。表2.1Cu消耗及金属间化合物生长的活化能

为了比较润湿和固态反应，在Ti/W基底上一层厚的电镀Cu UBM层表面上回流共晶SnPb焊膏来制备实验试样[20]。焊料凸点直径为125μm，电镀Cu UBM层的厚度为20μm。空气环境中，试样润湿2次后分别在125℃、150℃和170℃温度下进行持续500 h、1 000 h和1 500 h的老化实验。2次润湿反应后的总反应产物与200℃下1 min润湿反应的产物数量相等。老化前后，将试样横切、抛光并轻微蚀刻，用于光学和SEM观察。对同一组样品分别研究润湿反应和固态老化。

图2.23所示为焊料凸点与Cu UBM层在2次润湿反应后的横截面光学显微镜照片。图2.24所示为图2.23（a）~（c）中金属间化合物的放大图像。从图2.23（a）和图2.24（a）中可看出，笋钉状的Cu6Sn5金属间化合物的平均直径约为2μm。

从图2.23（b）~（d）、图2.24（b）和图2.24（c）中，可看到老化后焊料和Cu之间形成了一层较厚的、由Cu6 Sn5和Cu3 Sn组成的金属间化合物层，且金属间化合物呈现出一种较平坦的层状形貌。尽管焊料和Cu6 Sn5之间的界面并不是平坦的，但并没有出现图2.23（a）和2.24（a）所示的笋钉状金属间化合物之间的深沟。Cu3Sn层非常均匀，且与Cu6 Sn5层一样厚。在选择性蚀刻掉焊料中Pb后，在金属间化合物和焊料之间呈现出了深沟槽，这表明靠近金属间化合物的焊料层一定含有高浓度的Pb。此外，在焊料中也出现了晶粒过度生长的现象。

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图2.23　润湿及170℃老化中焊料凸点与Cu UBM层的横截面光学显微镜照片

（a）两次润湿后；（b）老化500 h；（c）老化1 000 h；（d）1 500 h

图2.24（c）中金属间化合物的总厚度仅为几微米，并不比图2.23（a）中所示的笋钉状金属间化合物的直径大得多。此外，与老化后的Cu3Sn厚度相比[图2.23（c）]，经过2次润湿后的Cu3 Sn厚度很薄[图2.23（a）]，可忽略不计。

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图2.24　图2.23（a）~（c）中金属间化合物的放大图像

（a）两次润湿后；（b）老化500 h后；（c）老化1 000 h后

在固态老化过程中形成的金属间化合物厚度可通过减去2次润湿后所形成的金属间化合物厚度来确定。2次润湿后形成金属间化合物的平均厚度通过笋钉状金属间化合物的横截面积总和除以金属间化合物总长度而获得。图2.25所示分别为125℃、150℃及170℃温度下经500、1 000和1 500 h老化后测量得到的金属间化合物厚度。金属间化合物的生长是扩散控制的，且固态老化过程中的活化能为0.94 eV/atom（1 eV/atom＝96.15 kJ/mol），如表2.1所示。

表2.1　Cu消耗及金属间化合物生长的活化能

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