刘洋++张洪林++夏鹏++郭龙军++孔祥瑞++王思雨

摘要：为了研究微焊点界面金属间化合物的演变行为，以Sn-Ag-Cu（ SAC）及Sn-Ag-Cu-Bi-Ni（SAC-BiNi）微焊点为研究对象，研究界面金属间化合物在不同工艺参数回流焊过程中的演变行为，借助SEM及深腐蚀技术，系统分析了回流时间、回流温度及冷却速率对界面金属间化合物形貌及晶粒尺寸的影响，实验结果表明：回流温度对界面金属间化合物形貌及演变行为存在显著影响.在较高的回流温度下，界面金属间化合物呈楞面状.在钎料处于液态状态下，界面金属间化合物生长迅速，回流冷却速率对焊点体钎料微观组织影响显著但对界面金属间化合物影响较小.

关键词：金属间化合物；低银钎料；形貌；演变；回流焊

DOI：10.15938/j.jhust.2015.05.013

中图分类号：TG425.1

文献标志码：A

文章编号：1007-2683（2015）05-0065-04

0 引言

随着微电子产业的发展，高密集度封装成为近几十年的主流趋势，作为提供电气互连和机械支撑的钎焊接头尺寸不断减小.出于几何尺寸及界面金属间化合物（IMC）的脆性考虑，焊点中体钎料和基板之间的连接界面被认为是其最薄弱的部分.金属间化合物粗化和形态变化可导致钎焊接头性能及电子产品可靠性降低.因此，金属间化合物形貌及生长行为已经成为该领域的重点研究方向.

影响金属间化合物的因素较多，如钎料与基板的成分、添加元素、钎焊温度、焊点尺寸等.由于界面金属间化合物对钎焊接头可靠性影响显著，对金属间化合物生长行为进行系统性研究十分必要，出于对可靠性和成本考虑，本项目组开发了一种低银SnAgCu-Bi-Ni（SAC0705 BiNi）钎料.基于我们前期研究，在合金中添加Ni元素对钎焊接头界面金属间化合物有重要影响.本文研究了SAC和SAC0705 BiNi钎焊接头界面金属间化合物在不同回流温度、时间和冷却条件下的演变.

1 实验

研究中使用的钎料合金为Sn-0.7 Ag-0.5 Cu（SAC0705），SAC305以及低银SAC0705 BiNi.通过加热重熔的方式将钎料合金制备成直径为760μm的焊球.选用纯Cu为表面镀层的基板，并经过丙酮和乙醇清洗.

为研究回流温度对界面金属间化合物的影响，试样分别在250℃、270℃和300℃的恒温炉中回流3分钟，并在室温下冷却.为研究回流温度对金属间化合物的影响，利用热风返修工作台将试样在250℃下进行焊接.焊球在基板上润湿后持续保温5s、50s和120s.为研究冷却速率对金属间化合物的影响，试样在焊后分别与室温及冰水混合物中冷却，利用深腐蚀技术获取界面金属间化合物的三维表面，借助扫描电子显微镜（FEI Quanta 200）对其形貌及组织进行表征.

2 结果讨论

2.1 回流焊温度对金属间化合物形貌的影响

图1所示为不同回流温度下形成的金属间化合物形貌.当回流温度为250℃时，SAC0705/Cu和SAC305/Cu回流焊接头金属间化合物呈块状，其平均直径约为8μm.前期研究表明该金属间化合物成分为Cu₆Sn₅.SAC0705 BiNi/Cu回流焊接头界面微观组织如图lb所示，其金属间化合物为平均晶粒尺寸3～4μm的小颗粒状（Cu，Ni）₆Sn₅.通过对比观察，（Cu，Ni）₆Sn₅颗粒尺寸远小于其他两种类型回流焊接头中Cu₆Sn₅，

随回流温度增加，金属间化合物形貌发生了显著转变，如图1 （g）、（h）及（e）所示，300℃条件下3种回流焊接头界面金属间化合物形貌由块状转变为楞面状，并在回流焊界面出现棒状金属间化合物.可见，随同流焊温度增加，Cu₆Sn₅和（Cu，Ni）₆Sn₅金属间化合物倾向形成楞面状形貌.由于界面金属间化合物表面能随回流温度升高而提升，金属间化合物晶粒转变为楞而状可降低体系表面能，从能量的角度分析该转变可闩发进行，此外，回流焊过程中基板Cu原子扩散至体钎料，环境温度升高导致界面元素扩散速率增加.体钎料巾Cu含量提升为界面金属间化合物提供大量Cu原子，从而提升其生长速率.

2.2 回流时间对金属间化合物形貌的影响

图2（a），（d），（g）所示为3种回流焊接头界面金属间化合物的初始形貌.可见回流焊5s时3种焊点界面金属问化合物均为纳米尺度微粒，随回流时间增K，界而金属间化合物尺寸快速增长，由于（Cu，Ni）₆Sn₅相比Cu₆Sn₅拥有较多的形核质点，其在同流过程中晶粒尺寸增长相对缓慢并呈现与Cu₆Sn₅不同的生长模式.

为了对金属间化合物在回流焊过程中的演变行为进行更直观的研究，将SAC0705焊球在250℃下铺展后保温50s.通过Cu基板倾斜使熔融钎料流动并保温10s，获得如图3所示的微焊点界面微观组织形貌.即在同一视野下对两层金属间化合物进行对比分析.如图所示，金属间化合物层l同流焊时问约为10s，金属间化合物层2约为60s.可见Cu₆Sn₅金属间化合物品粒在回流过程中生长迅速，分析认为固液界面具有较高的扩散速率，而界而元素扩散为金属间化合物的主要演变机制，所以，高温下的液固界面反应对界面金属间化合物的快速牛长影响显著.由于界面金属间化合物为脆性组织，处于可靠性考虑，应通过工艺优化控制回流时间以抑制金属间化合物过度生长.

2.3 冷却速率对金属间化合物形貌的影响

为了对比不同冷却条件下的金属问化合物形貌，将SAC0705焊球在250℃下回流20s，分别于室温及冰水混合物中冷却.由图4所示，不同冷却条件下回流焊界面金属间化合物形貌相似，但体钎料微观结构存在显著差异.其中冰水冷却条件下，焊点体钎料微观结构的晶粒尺寸远小于室温冷却条件.可见界面金属间化合物形成机制与体钎料微观组织结构存在较大差异.体钎料中晶粒在熔融钎料凝固过程中形核长大，快速冷却产生较大的过冷度，导致体钎料中晶粒的尺寸减小.对界面金属间化合物而言，其形成主要基于熔融钎料润湿基板并产生相互作用，并以界面元素扩散为主要生长机制.因此，冷却速率对金属间化合物晶粒尺寸影响较小.

3 结论

1）回流焊温度对界面金属间化合物形貌影响显著.回流焊温度升高，金属间化合物呈现楞面状转变趋势.

2）回流焊过程中界面金属间化合物晶粒尺寸增长迅速.相同条件下（Cu，Ni）6_{Sn5生长速率远低于Cu}6_Sn5

3）冷却速率对金属间化合物形貌影响较小，但对体钎料微观组织影响显著.