在Sn和Cu之间的薄膜反应中，Cu6 Sn5和Cu3Sn相相继形成，即Cu6Sn5首先在室温下单独形成，而Cu3 Sn仅在温度达到60℃以上时才会形成。由于在温度超过60℃时Cu6 Sn5和Cu3 Sn可一起形成，因此Cu3 Sn必然能够在60℃以上时形核。Cu6 Sn5的厚度为xβ，其与Cu和Sn的界面的位置分别由xαβ和xβγ表示。由于这个原因，在Cu6Sn5和Cu3 Sn相继生长的过程中，不能假设它们均可成核，且均为扩散控制型生长，从而达到共存状态。......
2023-06-20
Cu6Sn5和Cu3Sn的生长动力学探究
【摘要】：因为在室温或高于室温时生成Cu6 Sn5和Cu3 Sn都会消耗Cu，因此，这两相的生长动力学分析是焊点可靠性的一个重要课题。此外，Cu3 Sn的生长往往伴随着柯肯达尔孔洞的形成。在室温老化过程中，Cu6Sn5层的厚度变化通过卢瑟福背散射获得，且在过程中，并没有检测到Cu3Sn相的形成。综合两者，表明此时存在Sn和Cu混合。实验利用卢瑟福背散射实验装置通过测定Cu6Sn5的减少量来获取Cu6 Sn5相和Cu相之间Cu3 Sn相的生长情况。
因为在室温或高于室温时生成Cu6 Sn5和Cu3 Sn都会消耗Cu，因此，这两相的生长动力学分析是焊点可靠性的一个重要课题。此外，Cu3 Sn的生长往往伴随着柯肯达尔孔洞的形成。由于UBM层中的Cu薄膜层并不是很厚，因此钎焊反应中Cu的消耗速率是我们所关心的问题。为研究这个动力学问题，研究者在熔凝石英基底上制备一个Sn/Cu双薄膜结构，其中Cu的厚度为560 nm，而Sn厚度为200 nm或500 nm。为了尽可能减少沉积过程中的界面反应，双薄膜的沉积过程会在液氮温度下进行。在室温老化过程中，Cu6Sn5层的厚度变化通过卢瑟福背散射获得，且在过程中，并没有检测到Cu3Sn相的形成。
图3.3所示为三组Cu/Sn样品的卢瑟福背散射谱。其中，a曲线来自液氮环境中刚沉积完成的200 nm Sn/560 nm Cu试样。若样品表面出现Sn和Cu时，我们用“Cu”“Sn”字样来标记其背散射能量位置。从图谱中可知，由于Cu层上Sn层的吸附作用，Cu谱线移动至低能量区。b曲线来自室温下老化84天的试样。Sn能量位置降低并向后延伸，而Cu谱线的前端也降低但向前延伸。综合两者，表明此时存在Sn和Cu混合。Sn谱线和Cu谱线的高度比证明该相的原子量比为Cu∶Sn＝6∶5，而X衍射实验也证明了Cu6Sn5相的存在。c曲线来自200℃下退火10 min的试样，其中Sn信号严重降低，而Cu信号有所提升。同样地，通过X射线衍射，可以确认该相为Cu3 Sn。
图3.3 三组Sn/Cu样品的卢瑟福背散射谱
图3.4为在室温老化过程中，将两份不同样品所测得的Cu6 Sn5层厚度随时间变化的曲线。从图中可以看出无论Sn层厚或薄，Cu6 Sn5相生长都表现出了线性增长的性质，其增长率分别为3.5 nm/d和6 nm/d。
图3.4 室温下老化后两组试样的Cu6 Sn5厚度随时间的变化曲线
当所有的Sn都被Cu6Sn5的形成所消耗时，Cu6 Sn5/Cu/SiO2样品在纯He气氛下进行了退火处理，温度范围为115~150℃。实验利用卢瑟福背散射实验装置通过测定Cu6Sn5的减少量来获取Cu6 Sn5相和Cu相之间Cu3 Sn相的生长情况。Cu3 Sn相的存在则由掠入射X射线衍射法来确认。
图3.5所示为在115℃、120℃、130℃、140℃和150℃不同温度下退火处理时，剩余Cu6 Sn5层厚度的平方随老化时间变化的曲线。图中明显的线性关系表明该反应为扩散主导。通过绘制固定退火时间时Cu6 Sn5厚度的对数与温度倒数的关系曲线来获得Cu6 Sn5相的还原活化能，如图3.6所示，曲线的斜率即为活化能，值为0.99 eV/atom。
图3.5 在不同的温度下测得的剩余Cu6 Sn5厚度的二次方与时间的函数关系曲线
图3.6 退火时间固定时Cu6 Sn5厚度在对数坐标上与温度倒数的关系曲线
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