文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.01.002
中文引用格式： 文惠東，林鵬榮，曹玉生，等. 高溫存儲下不同成分Sn-Pb凸點可靠性研究[J].電子技術應用，2017，43(1)：10-12，19.
英文引用格式： Wen Huidong，Lin Pengrong，Cao Yusheng，et al. Study on reliability of different Sn-Pb bumps with high temperature storage[J].Application of Electronic Technique，2017，43(1)：10-12，19.
0 引言
倒裝焊技術由于芯片引出端采用面陣列排布方式，具有信號傳輸距離短、高密度、高頻性能優異、低串擾和高可靠等特點，是解決高密度先進封裝最為有效的途徑之一，已經廣泛應用于高密度集成電路封裝中。倒裝焊工藝中，首先在芯片引出端焊盤上制備凸點，然后使芯片翻轉，并與外殼焊盤焊接，以實現機械互連和電氣互連。凸點制備通常采用Sn-Pb焊料，主要依靠焊料中的Sn與UBM發生冶金反應，焊料中的Pb并不發生反應。研究表明，當Sn含量不同時，界面處形成的金屬間化合物不盡相同[1]，而金屬間化合物則是直接影響凸點焊接質量及長期可靠性的關鍵因素之一，尤其在高溫存儲條件下，金屬間化合物的成分、厚度及晶粒形態等均會發生顯著變化，進而影響倒裝焊器件的長期可靠性，因此進行高溫存儲條件下不同成分Sn-Pb凸點可靠性研究就顯得尤為必要。
1 材料準備及試驗方法
選用共晶Sn-Pb焊球（63Sn37Pb）及3種常見的高鉛焊球（10Sn90Pb、5Sn95Pb及3Sn97Pb），使之分別與常見的Ti-Cu-Ni結構UBM發生冶金反應形成凸點，焊球直徑為100 ?滋m；選用適用于高溫Sn-Pb焊料的助焊劑，最高可承受360 ℃高溫；選用菊花鏈芯片，UBM為Ti-Cu-Ni結構，直徑為85 μm。
選用不同成分的Sn-Pb焊球，經助焊劑印刷并回流形成凸點，然后對帶有凸點的芯片樣品進行高溫存儲試驗，存儲溫度為150 ℃，存儲時間節點分別為100 h、500 h及1 000 h。利用剪切拉脫測試儀對凸點進行剪切強度測試；利用掃描電鏡觀察凸點的微觀組織及IMC形貌；利用Photoshop軟件對IMC厚度進行提取，對IMC生長情況進行分析。通過上述手段分析高溫存儲對凸點可靠性的影響。
2 凸點可靠性分析
2.1 凸點力學性能分析
4種Sn-Pb凸點抗剪切強度隨高溫存儲的變化情況如圖1所示。
對于3Sn97Pb和10Sn90Pb凸點而言，其剪切強度隨高溫存儲試驗的進行，整體上均呈現出先增加后減小的趨勢，10Sn90Pb凸點的剪切強度數值始終大于3Sn97Pb。在高溫存儲過程中，5Sn95Pb凸點的剪切強度呈逐漸下降的趨勢，63Sn37Pb凸點的剪切強度變化不大，整體較為穩定。高溫存儲試驗中，63Sn37Pb凸點的剪切強度始終最大，其次為10Sn90Pb。3種高鉛凸點中，10Sn90Pb凸點的力學強度最大，且剪切強度值的波動幅度最小，這說明在高溫存儲過程中，相較于其他兩種高鉛凸點，10Sn90Pb的力學性能最好。
2.2 凸點界面反應分析
經過高溫存儲后不同凸點的橫截面照片如圖2～圖5所示。
由圖2可知，在高溫存儲過程中，3Sn97Pb凸點界面處IMC層厚度無明顯增大，100 h高溫存儲后在界面處可觀測到團簇狀晶粒的存在；當高溫存儲進行到500 h時，界面處IMC層較100 h更為平坦，但能觀測到細齒狀凸起；當高溫存儲進行到1 000 h時，團簇狀晶粒橫向尺寸明顯增大，并開始出現扇貝化趨勢。
由圖3和圖4可知，5Sn95Pb凸點在高溫存儲過程中界面處IMC層厚度略有增大，當高溫存儲達到1 000 h時，界面處IMC層呈現扇貝狀結構。在高溫存儲過程中，10Sn90Pb凸點界面處IMC層始終保持為連續的層狀結構，隨著時間的延長，IMC層厚度不斷增大。
由圖5可知，63Sn37Pb凸點界面處IMC層的形態在高溫存儲過程中存在較為明顯的變化，回流完成時IMC層厚度很小，且能觀測到細長狀的凸起，焊料內部的富Sn相尺寸很小，彌散分布在凸點中；當高溫存儲進行到100 h時，IMC層厚度已明顯增大，約變為回流后初始厚度的4倍，IMC層較為平坦，不同區域的IMC層厚度較為一致，此外焊料內部出現大面積的Sn的富集；隨著高溫存儲時間的繼續進行，IMC層厚度和焊料內部的富Sn相尺寸繼續增大；當高溫存儲進行到1 000 h時，界面處IMC層厚度為初始厚度的7.5倍左右，呈現出扇貝狀形態，焊料內部的富Sn相大面積橋連。
高溫存儲過程中不同成分凸點IMC層厚度的變化情況如圖6所示。由圖6可知，隨著高溫存儲的進行，4種成分凸點界面處IMC厚度逐漸增加，在高溫存儲初期，63Sn37Pb界面處IMC厚度增長最快，其次為10Sn90Pb，3Sn97Pb和5Sn95Pb凸點IMC厚度增長速度相差不大，這與二者的Sn含量相近有關。此外，隨高溫存儲過程的進行，4種凸點界面處IMC厚度增長速度均有不同程度的減緩，當高溫存儲進行到500 h左右時，3Sn97Pb凸點IMC厚度即不再發生變化。1 000 h高溫存儲完成后，3Sn97Pb和5Sn95Pb凸點界面處IMC層厚度值相差無幾，63Sn37Pb凸點界面處IMC厚度值最大。在相同的條件下，界面處IMC層的厚度仍與焊料中Sn元素的含量有關，Sn含量越高，高溫存儲后形成的IMC層也越厚[2]。
高溫存儲后不同成分凸點界面處IMC的top view形態如圖7所示。
由圖7可知，在高溫存儲試驗過程中，4種成分凸點的IMC晶粒形態均發生了明顯變化。當高溫存儲進行到100 h時，4種凸點界面處IMC晶粒形態均出現棱晶狀向貝殼狀轉變的趨勢[3]。通過EDX分析后可知，此時3Sn97Pb和5Sn95Pb凸點界面處IMC的主要成分為Ni3Sn2和Ni3Sn，10Sn90Pb和63Sn37Pb 凸點界面處IMC的主要成分為Ni3Sn4。
當高溫存儲進行到500h時，5Sn95Pb和10Sn90Pb凸點的IMC中均觀測不到細軸狀晶粒的存在，晶粒出現粗化，呈現出不規則的扇貝狀結構，而此時63Sn37Pb凸點的IMC晶粒嚴重粗化，轉變為屋脊狀結構。3Sn97Pb凸點界面處IMC晶粒仍保持棱晶狀。對于3Sn97Pb和5Sn95Pb凸點而言，高溫存儲500h后，IMC的主要成分仍為Ni3Sn2和Ni3Sn，這是因為與其他兩種焊料相比，3Sn97Pb和5Sn95Pb焊料中Sn含量最少，因此，即使經過長時間的高溫存儲，Sn原子有充足的時間可擴散至IMC/焊料的界面處，但是擴散的Sn原子數量相較于Ni原子而言仍然非常少[4]，所以在界面處只能形成Ni3Sn和Ni3Sn2。
此時10Sn90Pb凸點界面處IMC的主要成分為Ni3Sn4和Ni3Sn2。在靠近焊料的一側，IMC的主要成分為Ni3Sn4，靠近焊盤的一側IMC主要成分為Ni3Sn2，這種現象是由原子濃度梯度不同導致的[5]。由Ni-Sn二元相圖可知，在10Sn90Pb凸點回流焊初始階段，焊盤中的Ni不斷溶解到熔融焊料中，Ni和Sn原子供應均充足，此時形成的金屬間化合物主要是Ni3Sn4。在回流之后，隨著高溫存儲的不斷進行，Sn原子濃度逐漸降低，導致Sn原子供應不足，而在IMC/焊盤的界面處，Sn原子通過擴散作用到達該處，與焊盤中的Ni原子發生反應形成IMC，此時Ni原子相對過量，因此形成Ni3Sn2。高溫存儲過程中，63Sn37Pb界面處IMC的主要成分始終為Ni3Sn4。
在高溫存儲過程中，不同成分凸點中IMC晶粒尺寸的增加速度也呈現出較為明顯的差異：在高溫存儲試驗前期，63Sn37Pb凸點IMC生長速度最快，晶粒粗化現象也最為嚴重；10Sn90Pb凸點IMC晶粒生長速度其次，隨著焊料中Sn含量的降低，在高溫存儲過程中IMC晶粒的生長速度也逐漸降低；當高溫存儲試驗進行到一定時間后，不同成分的凸點界面處IMC晶粒的生長速度均有所減慢。經過500h高溫存儲后，63Sn37Pb凸點IMC晶粒尺寸最大，3Sn97Pb凸點中晶粒尺寸最小。
3 結論
本文通過對比經歷高溫存儲試驗前后3Sn97Pb、5Sn95Pb、10Sn90Pb以及63Sn37Pb凸點的力學性能、IMC層厚度及IMC晶粒形貌，得出以下結論：
(1)隨著高溫存儲試驗的進行，不同成分凸點的剪切力整體上呈現先增加后減小的趨勢，其中10Sn90Pb凸點剪切強度波動幅度最小；
(2)界面處IMC層厚度與焊料中Sn元素含量有關，Sn含量越高，高溫存儲后形成的IMC層越厚，63Sn37Pb界面IMC變化最為明顯；
(3)焊料中Sn含量越低，高溫存儲過程中IMC晶粒的生長速度越低，其中63Sn37Pb凸點IMC生長速度最快，晶粒粗化現象最為嚴重，10Sn90Pb凸點IMC生長速度其次；
(4)高溫存儲過程中，63Sn37Pb界面處IMC的主要成分始終為Ni3Sn4，10Sn90Pb凸點界面處IMC的主要成分為Ni3Sn4和Ni3Sn2。
參考文獻
[1] 楊雪霞.電子封裝中金屬間化合物力學性能的研究及焊點可靠性分析[D].太原：太原理工大學，2013：29-35.
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[3] Wang Kaizheng，CHEN C M.Intermetallic compound formation and morphology evolution[J].Journal of Electronic Materials，2005，12(34)：128-133.
[4] 楊光育，徐欣，董義.無鉛合金與錫鉛合金性能對比分析[J].電子工藝技術，2008，29(6)：328-333.
[5] HE M，KUMARA A，YEO P T.Interfacial reaction between Sn-rich solders and Ni-based metallization[J].Thin Solid Films，2004，11(9)：387-394.
作者信息:
文惠東，林鵬榮，曹玉生，練濱浩，王 勇，姚全斌
(北京微電子技術研究所，北京100076)