文惠東，林鵬榮，練濱浩，王　勇，姚全斌

(北京微電子技術(shù)研究所，北京100076 )

?

多次回流對不同成分Sn-Pb凸點IMC生長的影響

文惠東，林鵬榮，練濱浩，王勇，姚全斌

(北京微電子技術(shù)研究所，北京100076 )

摘要：以不同成分Sn-Pb凸點為研究對象，分析回流次數(shù)對凸點IMC生長的影響。試驗結(jié)果表明，多次回流中，5Sn95Pb凸點的剪切強度變化幅度最大，其余凸點抗剪切強度波動范圍較小。凸點界面處IMC層厚度值均逐漸增大，其中3Sn97Pb和5Sn95Pb凸點界面處的IMC厚度增加速度較慢。界面IMC層晶粒尺寸逐漸增大，10次回流后，3Sn97Pb和63Sn37Pb凸點界面處觀測到長軸狀凸起，5Sn90Pb和10Sn90Pb凸點界面處IMC層呈現(xiàn)出較為平坦的形態(tài)。

關(guān)鍵詞：倒裝焊；Sn-Pb凸點；多次回流；IMC生長

1　引言

隨著集成電路封裝密度的不斷提高，傳統(tǒng)引線鍵合已無法滿足要求，倒裝焊技術(shù)應運而生并得到了廣泛應用，其中又以凸點制備、芯片倒裝等為關(guān)鍵技術(shù)?；亓骱缸鳛橥裹c制備的關(guān)鍵工序，直接影響著凸點的焊接質(zhì)量，進而影響倒裝焊器件的封裝質(zhì)量及可靠性。凸點制備技術(shù)常采用Sn-Pb焊料，其中主要是Sn 與UBM金屬發(fā)生冶金反應[1]，界面處IMC的形成也主要依靠Sn與UBM之間的冶金反應。焊料中Sn含量對于界面處的冶金反應有著極其重要的影響。有關(guān)研究表明，當Sn含量不同時，界面處形成的物質(zhì)也不盡相同。之后，通過芯片倒裝使得芯片與外殼形成機械連接與電連接，在此過程中，凸點經(jīng)歷第二次回流，凸點與UBM界面處的IMC進一步發(fā)生了變化[2]，而IMC狀態(tài)則是影響凸點可靠性的重要因素之一，因此進行多次回流對不同成分Sn-Pb凸點IMC生長影響的研究很有必要。

目前使用較為廣泛的UBM類型有Cu基與Ni基。與Cu基UBM相比，采用Ni作為UBM時，Ni-Sn的反應速度要比Cu-Sn的反應速度慢兩個數(shù)量級，不易形成過厚的脆性IMC層，因此采用Ni基UBM代替Cu基UBM的方法近年來很受重視。

2　試驗方法及材料準備

2.1材料準備

2.1.1 Pb-Sn焊球

本文選用共晶Sn-Pb焊球（63Sn37Pb）與3種常見的高鉛焊球（10Sn90Pb、5Sn95Pb及3Sn97Pb）。焊球直徑均為100 μm。

2.1.2助焊劑

本文使用的助焊劑為專用于高溫焊料的助焊劑，可承受360℃以上的高溫。

2.1.3 UBM

本文采用Ni基UBM，焊盤直徑為85 μm，焊盤開口尺寸為50 μm。

2.2試驗方法

通過置球法將焊球置于UBM上，回流后形成凸點。每種成分焊球的回流峰值溫度為焊球熔點溫度以上15℃，熔點以上回流時間設(shè)置為50 s。對帶有凸點的芯片樣品進行多次回流試驗，然后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。

3　試驗結(jié)果與分析

3.1凸點力學性能分析

4種Sn-Pb凸點抗剪切強度隨回流次數(shù)的變化情況如圖1所示。

圖1　不同成分凸點剪切強度變化情況

在多次回流過程中，3Sn97Pb凸點的剪切強度數(shù)值變化不大；5Sn95Pb凸點的剪切強度數(shù)值變化幅度最大，隨著多次回流試驗的進行，其剪切強度逐漸下降。10Sn90Pb凸點隨著回流次數(shù)的增加，凸點的剪切強度先是呈逐漸增大的趨勢，當凸點經(jīng)過3次回流后，凸點的抗剪切強度達到最大，此后隨著回流次數(shù)的繼續(xù)增加，凸點的平均剪切強度整體上變化不大。63Sn37Pb凸點的抗剪切強度始終維持在較為穩(wěn)定的水平。

3.2凸點界面反應分析

經(jīng)過多次回流后不同凸點的橫截面照片如圖2～ 圖5所示。由圖2可知，隨著多次回流試驗的進行，3Sn97Pb凸點界面處IMC層厚度并未有較為明顯的增加。隨著回流次數(shù)的增加，界面處細長狀的凸起明顯變粗，凸起長度也逐漸增加，這說明界面處的IMC晶粒在不斷生長。

對于5Sn95Pb凸點，當經(jīng)過5次回流后，在界面處能觀測到較為明顯的扇貝狀結(jié)構(gòu)。10次回流完成后，IMC層的厚度值約增長一倍，且IMC層變得較為平坦。

10Sn90Pb凸點在回流后的界面IMC層呈連續(xù)層狀，5次回流后在界面IMC層能觀測到明顯的細軸狀凸起，此時IMC層厚度約為回流后的2倍，經(jīng)過10次回流后，界面處IMC呈扇貝狀結(jié)構(gòu)。隨著回流次數(shù)的增加，凸點界面處的IMC層不斷增厚。

63Sn37Pb凸點在經(jīng)過5次回流后，IMC的形態(tài)未發(fā)生明顯變化，仍呈長軸狀凸起結(jié)構(gòu)，但此時IMC層的厚度及凸起的橫向尺寸較回流完成時有明顯的增加。可能是在多次回流過程中，生成的IMC不再熔化，新生成的IMC在已有的IMC晶粒表面形核生長，使得晶粒的尺寸不斷增加，并導致IMC層逐漸增厚[3]。經(jīng)過10次回流后，IMC層厚度及晶粒尺寸進一步增大。

圖2　多次回流后3Sn97Pb凸點橫截面

圖3　多次回流后5Sn95Pb凸點橫截面

圖4　多次回流后10Sn90Pb凸點橫截面

圖5　多次回流后63Sn37Pb凸點橫截面

通過上述對比分析后可知，隨著多次回流試驗的進行，4種Sn-Pb凸點界面IMC層及晶粒尺寸均逐漸增大，10次回流完成后，3Sn97Pb和63Sn37Pb凸點界面處能觀測到長軸狀凸起[4]，5Sn90Pb和10Sn90Pb凸點界面處IMC層呈現(xiàn)出較為平坦的形態(tài)。

4種凸點界面處IMC層厚度隨回流次數(shù)的變化情況如圖6所示。

圖6　4種凸點界面處IMC厚度隨回流次數(shù)變化

隨著回流次數(shù)的不斷增加，4種Sn-Pb凸點界面處IMC層厚度值均逐漸增大，其中3Sn97Pb和5Sn95Pb凸點界面處的IMC厚度增加速度較慢，10次回流之后，兩種凸點界面處的IMC層厚度相差不大。10Sn90Pb凸點界面處IMC層的厚度增加速度明顯大于3Sn97Pb和5Sn95Pb，但經(jīng)過5次回流之后，IMC層厚度的增加速度減慢，這可能與焊料中Sn原子消耗完畢有關(guān)。在4種Sn-Pb焊料中，63Sn37Pb凸點界面處IMC生長速度最快，這與焊料內(nèi)部的化學勢梯度及充足的Sn原子有關(guān)[5]。經(jīng)過10次回流后，63Sn37Pb凸點界面處IMC層最厚，其次為10Sn90Pb凸點。

經(jīng)過多次回流后不同焊點界面頂視圖的形貌如圖7所示。

4種Sn-Pb焊點界面處IMC晶粒在回流后均呈棱晶狀結(jié)構(gòu)，通過計算可知，63Sn37Pb的IMC晶粒尺寸最大，其次為10Sn90Pb。

圖7　1次和10次回流后不同焊點界面頂視圖對比

從頂視圖形貌中可知，多次回流后3Sn97Pb界面處IMC晶粒仍呈棱晶狀。經(jīng)過10次回流后，在3Sn97Pb界面處的IMC晶粒尺寸增大，能觀察到晶粒的合并生長。經(jīng)過EDX分析可知，經(jīng)過3次回流和10次回流后，3Sn97Pb凸點界面處形成的IMC的主要成分均為Ni3Sn，此外還含有少量的Ni3Sn2，IMC的成分未發(fā)生變化。

在5Sn95Pb/Ni的界面反應中，經(jīng)過5次回流和10次回流后，界面處IMC的成分未發(fā)生變化，仍然主要是Ni3Sn2和Ni3Sn，且IMC晶粒尺寸均大于相同條件下的3Sn97Pb凸點。10次回流完成后，界面處晶粒明顯變致密，只有個別晶粒仍呈棱晶狀結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過3次回流后，10Sn90Pb的IMC晶粒呈棱晶狀，晶粒尺寸略有增加，通過EDX分析可知，10Sn90Pb凸點界面處IMC的主要成分為Ni3Sn4及Ni3Sn2?？拷噶弦粋?cè)的IMC在生長過程中由于有相對較多的Sn原子，可以形成Ni3Sn4型化合物，而靠近Ni側(cè)的IMC由于Sn原子不足只能形成Ni3Sn2型化合物。經(jīng)過10次回流后，界面處大尺寸晶粒數(shù)量增多，出現(xiàn)明顯的晶粒合并生長現(xiàn)象，此時10Sn90Pb凸點界面處IMC的主要成分演變?yōu)镹i3Sn4。

在63Sn37Pb/Ni基UBM體系中，經(jīng)過10次回流后，晶粒形態(tài)發(fā)生明顯變化，出現(xiàn)嚴重粗化的晶粒，試驗過程中IMC的主要成分始終為Ni3Sn4。

多次回流過程中，4種凸點界面處IMC晶粒尺寸的變化情況如圖8所示。

圖8　不同凸點IMC晶粒尺寸變化

由圖8可知，經(jīng)過多次回流后，4種凸點IMC晶粒尺寸均有所增加。對于3Sn97Pb和5Sn95Pb凸點而言，當經(jīng)過3次回流后，晶粒生長速度均開始減小，當經(jīng)過10次回流后，3Sn97Pb界面處晶粒尺寸僅比回流3次后增大約20 nm，5Sn95Pb凸點界面處IMC晶粒生長速度大于3Sn97Pb。在多次回流過程中，10Sn90Pb凸點IMC生長速度較為穩(wěn)定，晶粒尺寸與回流次數(shù)之間近似呈線性關(guān)系。63Sn37Pb凸點界面處晶粒生長速度在3次回流之后明顯增大。10次回流完成后，63Sn37Pb凸點界面處晶粒尺寸最大，其次為10Sn90Pb凸點。

4　結(jié)論

本文通過對比多次回流試驗前后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(jié)論：

（1）在多次回流過程中，5Sn95Pb凸點的剪切強度變化幅度最大，其余3種凸點抗剪切強度波動范圍較小。

（2）隨著多次回流試驗的進行，4種Sn-Pb凸點界面IMC層及晶粒尺寸均逐漸增大，10次回流完成后，3Sn97Pb和63Sn37Pb凸點界面處能觀測到長軸狀凸起，5Sn90Pb和10Sn90Pb凸點界面處IMC層呈現(xiàn)出較為平坦的形態(tài)。

（3）隨著回流次數(shù)的不斷增加，4種Sn-Pb凸點界面處IMC層厚度值均逐漸增大，其中3Sn97Pb和5Sn95Pb凸點界面處的IMC厚度增加速度較慢。

（4）經(jīng)過多次回流后，4種凸點IMC晶粒尺寸均有所增加。

參考文獻：

[1] Kai-Zheng Wang, Chin-Ming Chen. Intermetallic Compound Formation and Morphology Evolution[J]. Journal of Electronic Materials, 2005,12(34):387-394.

[2]林鵬榮，姜學明，等.回流溫度曲線對CBGA植球空洞影響研究[J].電子與封裝，2014，14(7): 45-52.

[3]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[J].失效分析與預防，2013，10(2): 37-42.

[4]楊曉華. Sn-Pb共晶焊接接頭中IMC的形成及時效演變[J].有色金屬，2007，59(3)：37-42.

[5] X Deng, G Piotrowski, J J Willimas. Solder Joint Technology Materials, Properties, and Reliability [J]. Material Science, 2003, 27(11): 152-178.

文惠東（1988—），男，山西呂梁人，碩士研究生，主要研究方向為微電子封裝。

Study on IMC Formation of Different Sn-Pb Bumps with Multiple Reflow Times

WEN Huidong, LIN Pengrong, LIAN Binhao, WANG Yong, YAO Quanbin
（Beijing Microelectronics Technology Institution, Beijing 100076, China）

Abstract：In the paper, different components of Sn-Pb bumps are as research object, and impacts of the bump reflow times on IMC formation are analyzed. The main conclusions are as follows: Biggest change happened in 5Sn95Pb bump shear strength and the rest have a smaller fluctuation range. IMC layer thickness of Sn-Pb bumps gradually increase, in which IMC thickness of 3Sn97Pb and 5Sn95Pb bump are slower.IMC layer grain size increase gradually, after 10 reflow completed, long axis can be observed in interface of 3Sn97Pb and 63Sn37Pb bumps and relatively flat shape exhibit in interface of 5Sn90Pb and 10Sn90Pb bump.

Keywords：flip chip; Sn-Pb bump; multiple reflow; IMC formation

作者簡介：

收稿日期：2015-11-24

中圖分類號：TN305.94

文獻標識碼：A

文章編號：1681-1070（2016）03-0004-05