当用薄的Cu膜替代厚的Cu箔时，薄膜上焊料润湿反应中会出现金属间化合物形态的极大改变。图3.12所示为沉积有100 nm Ti膜的氧化后Si晶片上沉积的870 nm厚的Cu薄膜与SnPb共晶焊料在200℃进行10 min润湿反应后的横截面SEM图像。笋钉状Cu6 Sn5金属间化合物不复存在，而是变成球状，其中一些已经从基板剥落离开，进入熔融焊料中[8-11]。当Cu膜被焊料完全消耗时，这一现象不是我们所预期的，相反我们预期当没有更多的Cu时界面反应完全停止。但是实际上笋钉状金属间化合物的熟化反应还在继续并且将由半球形笋钉状转变为球状。球状金属间化合物在Ti表面具有180°的润湿角，故它们之间不存在黏附效应，球状体可以轻易地从Ti表面分离剥落，并进入熔融焊料中。当焊料处于熔融状态时，这个过程可以通过重力来解释，熔融焊料的密度比Cu6 Sn5的密度要大，导致金属间化合物剥落。图3.13所示为夹在两个具有Au/Cu/Cr三层薄膜结构的Si晶片之间的一片SnPb共晶焊料的横截面SEM图像。在200℃下反应20 min后，Cu6Sn5球状体会从底部表面脱离并移动到上部表面。这一现象就是金属间化合物的“剥落”。当这个现象发生时，焊料会与未润湿的基板直接接触，从而发生去润湿现象。
图3.12 沉积有100 nm Ti膜的氧化后Si晶片上沉积的870 nm厚的Cu薄膜与SnPb共晶焊料在200℃进行10m in润湿反应后的横截面SEM图像
图3.13 夹在两个具有Au/Cu/Cr三层薄膜结构的Si晶片之间的一片SnPb共晶焊料的三层结构的横截面SEM图像
（a）上部表面；（b）底部表面
图3.14所示为在Au/Cu/Cr三层薄膜结构上焊帽中的金属间化合物剥落。图3.15所示为剥落后发生去润湿表面的SEM图像。图3.16所示为熔融焊料与薄膜的反应中金属间化合物依次发生熟化、剥落和去润湿的示意。
图3.14 Au/Cu/Cr三层薄膜结构上的共晶SnPb焊帽的横截面SEM图像
（a）焊帽的低倍率图像；（b）~（e）金属间化合物剥落过程中不同截面的高倍率图像
为了解释形态变换，我们回忆一下图2.26中两个相邻笋钉状金属间化合物之间的保存或恒定体积熟化过程以及它们之间的大间隙的打开过程。当全部的Cu薄膜都被反应掉时，笋钉状Cu6 Sn5熟化过程变成保守型。笋钉状金属间化合物间的间隙允许熔融焊料与没有被熔融焊料浸润的Ti表面直接接触。图3.17展示了保守型熟化中由总表面积和界面能降低所驱动的从半球形笋钉状金属间化合物转变为球状金属间化合物的过程。
图3.15 剥落后的去润湿表面的SEM图像
图3.16 焊料-薄膜反应中IMC熟化、剥落和去润湿一系列过程的原理示意
（a）熟化；（b）剥落；（c）去润湿
图3.17 保守型熟化中由总表面积和界面能降低所驱动的从半球形笋钉状金属间化合物转变为球状金属间化合物的过程
之后，文章将回顾电子封装技术中一系列不同熔融焊料与薄膜凸点下金属化层间的反应，而我们也将看到剥落现象是一种反复出现的现象，且对于无铅焊料来说其依然是非常具有挑战性的可靠性问题。
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如图3.23所示，1次回流后，Cu层被反应消耗并转化为Cu6 Sn5，而Ni层则保持了最初状态。显然，在多次回流后，Cu/Ni/Al UBM层与共晶SnAgCu焊料间无法保持稳定。图3.22A l/Ni/Cu薄膜上经过1次、5次、10次和20次回流后的共晶SnAgCu焊料样品的横截面SEM背散射图像熔融的无铅焊料对Ni的溶解是不均匀的，且似乎是从Ni表面上的某些缺陷点上开始形成，随后横向扩散最终形成斑点。图3.24~分别为Al/Ni/Cu薄膜上的SnAgCu共晶焊料在260℃下退火5、10和20 min后的SEM背散射图像。......
2023-06-20
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2023-06-20
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2023-06-20
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2023-06-20
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2023-06-26
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2023-06-26
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2023-06-20
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2023-06-20
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