張 超，張柯柯，馬 寧，孫萌萌

(河南科技大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院；b.河南省有色金屬材料科學(xué)與加工技術(shù)重點實驗室；c.有色金屬共性技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 洛陽 471023)

Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu釬焊接頭在熱循環(huán)下的電遷移行為

張 超a,c，張柯柯a,b，馬 寧a，孫萌萌a

(河南科技大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院；b.河南省有色金屬材料科學(xué)與加工技術(shù)重點實驗室；c.有色金屬共性技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 洛陽 471023)

自主設(shè)計了熱循環(huán)下釬焊接頭電遷移試驗裝置，探究了熱循環(huán)下電流密度對Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu無鉛釬焊接頭界面及組織性能的影響。研究結(jié)果表明：在電流密度達(dá)到7.0×103A/cm2時，出現(xiàn)明顯的電遷移現(xiàn)象。隨電流密度增加，釬焊接頭陽極區(qū)金屬間化合物(IMC)厚度顯著增加，增厚的化合物主要是Cu6Sn5；陰極區(qū)IMC厚度呈冪指數(shù)緩慢增加，主要表現(xiàn)為Cu3Sn的生長，且在陰極區(qū)與釬縫過渡區(qū)域出現(xiàn)裂紋和孔洞。釬焊接頭發(fā)生電遷移后剪切強(qiáng)度降低50%，斷裂發(fā)生在陰極界面IMC上，剪切斷口呈脆性斷裂。

無鉛釬焊；電遷移；熱循環(huán)；界面尺寸；剪切強(qiáng)度

0 引言

無鉛釬焊接頭的電遷移作為電子產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵因素，目前已有大量研究。文獻(xiàn)[1]認(rèn)為現(xiàn)有電遷移研究集中在微米量級的焊點，但由于微米量級的焊點太小，無法研究釬焊接頭在服役過程中剪切強(qiáng)度的變化，無法準(zhǔn)確測試出產(chǎn)品的使用壽命。文獻(xiàn)[2]認(rèn)為目前大多數(shù)電遷移研究都是在恒溫條件下，雖然恒溫下電遷移可以排除熱效應(yīng)對研究結(jié)果的影響，但是背離了無鉛釬焊接頭所處的真實變溫環(huán)境。文獻(xiàn)[3-4]經(jīng)過大量的試驗發(fā)現(xiàn)：電流密度達(dá)到1×104A/cm2是電遷移的門檻，只有在門檻電流密度時才會使陽極區(qū)金屬間化合物(intermetallic compound,IMC)增厚，陰極區(qū)IMC厚度減少并出現(xiàn)缺陷。而文獻(xiàn)[5]認(rèn)為電流密度只要達(dá)到7×103A/cm2，就可以出現(xiàn)明顯的電遷移現(xiàn)象。綜上所述，釬焊接頭尺寸、試驗溫度以及臨界電流密度對釬焊接頭電遷移行為的研究尚處在初級階段。因此，本文分析了電流密度對熱循環(huán)下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu微米量級的釬焊接頭電遷移界面及組織性能的影響，探究了釬焊接頭電遷移發(fā)生的條件。

1 試驗材料與方法

1.1 釬料的制備

通過真空爐熔煉[6]制取試驗所用釬料合金。采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.9%以上的Sn、Ag、Cu和混合稀土(主要成分為Ce和La)，在非自耗電爐ZHW-600A中，制備試驗所用的Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu無鉛釬料。

1.2 釬焊試驗

試驗所用釬焊接頭試樣如圖1a所示。母材金屬為質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.9%的紫銅板(寬度為10 mm)，將釬料制成1.0 mm×0.5 mm×0.5 mm的金屬薄片。釬焊試驗前，將母材金屬試樣及金屬薄片進(jìn)行處理，并用丙酮浸泡，乙醇清洗后吹干。將釬料合金薄片置于待焊的兩塊紫銅板之間，滴1～2滴商用CX600水洗釬劑，放入箱式電阻爐中進(jìn)行釬焊。釬焊溫度設(shè)定為270 ℃，釬焊時間取240 s。通過線切割將釬焊接頭試樣切成尺寸為20.0 mm×3.0 mm×0.5 mm的薄片，如圖1b所示。

圖1 釬焊接頭試樣及尺寸

1.3 熱循環(huán)下的電遷移試驗

采用自主設(shè)計的熱循環(huán)下釬焊接頭電遷移裝置，試驗方法如下：將釬焊后試樣安裝在導(dǎo)電夾具上，調(diào)節(jié)裝置的試驗參數(shù)，將安裝好的導(dǎo)電夾具放入電遷移裝置中，試驗結(jié)束后取出導(dǎo)電夾具，空冷0.5 h后拆卸試樣。參照文獻(xiàn)[7]，試驗選取的參數(shù)如下：升降溫速率15 ℃/min；熱循環(huán)溫度0～100 ℃，高溫100 ℃與低溫0 ℃時各保溫10 min；循環(huán)周期數(shù)設(shè)定5、15、25；電流密度控制在2.0×103～1.0×104A/cm2。

1.4 IMC形態(tài)尺寸檢測分析

利用AutoCAD軟件和等積法原理[8]求得界面金屬間化合物的平均厚度。以平均厚度線作為粗糙度測量基準(zhǔn)線，所選區(qū)域界面IMC的峰值曲線到基準(zhǔn)線之間的距離為Zi，根據(jù)式(1)計算出所選區(qū)域的界面粗糙度。為減小測量誤差，以5次隨機(jī)測量區(qū)域的平均值作為測量結(jié)果。

(1)

其中：Rrms為粗糙度，μm；N為所選區(qū)域測量點的數(shù)目；Zi為所測量選定區(qū)域的IMC峰值曲線到測量基準(zhǔn)線間的距離，μm。

用AG-I 250 kN型電子拉伸試驗機(jī)進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測試，剪切速率為1 mm/min，焊點的剪切強(qiáng)度取3個試樣的平均值，而后采用JSM-5610LV型掃描電鏡觀察焊點的斷口形貌。打磨拋光后的試樣經(jīng)體積分?jǐn)?shù)為4%的HNO3乙醇溶液腐蝕，采用JSM-5610LV型掃描電鏡觀察焊點界面IMC形貌，相同條件下選取掃描電鏡下5個不同視野圖片進(jìn)行厚度和粗糙度測算，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu釬焊接頭通電前后微觀組織形貌

圖2為Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu釬焊接頭通電前后微觀組織形貌。圖2a中，釬焊接頭分成3個區(qū)域，從左至右分別是母材區(qū)、界面區(qū)和釬縫區(qū)。母材區(qū)為純Cu(深色基體部分)。臨近母材區(qū)有一層3 μm左右的界面IMC，呈不規(guī)則“扇貝狀”，如圖2a中的A區(qū)域所示。通電前，界面IMC由Cu6Sn5與Cu3Sn組成，Cu3Sn位于母材與界面邊界位置，Cu6Sn5呈“扇貝狀”。通電后，陽極區(qū)界面Cu6Sn5比通電前有所增加，而Cu3Sn基本沒有變化；而陰極區(qū)界面Cu6Sn5比通電前有所減少，Cu3Sn增多，陰極區(qū)與陽極區(qū)成分存在較大差異，如圖2b所示。與界面區(qū)相鄰的區(qū)域為釬縫區(qū)，通電前后釬縫區(qū)成分差異不大，晶粒有所長大，都是由初生相β-Sn和網(wǎng)狀共晶組織組成。圖2b中，D、E區(qū)域分別代表初生相β-Sn和網(wǎng)狀共晶組織，在網(wǎng)狀組織周圍分布著少量的Ag3Sn，聯(lián)系Sn-Ag-Cu三元合金相圖[9]可知:網(wǎng)狀共晶組織由針狀β-Sn+Ag3Sn、顆粒狀β-Sn+Cu6Sn5的二元共晶組織以及β-Sn+Cu6Sn5+Ag3Sn的三元共晶組織共同組成[10]。

文獻(xiàn)[11]指出電遷移主要表現(xiàn)為陽極與陰極界面IMC尺寸、形貌以及力學(xué)性能的變化，本文主要從界面IMC的尺寸、形貌以及力學(xué)性能，來探究電流密度對熱循環(huán)下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu釬焊接頭電遷移的影響。

圖2 Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu釬焊接頭通電前后微觀組織形貌

2.2 電流密度對Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu釬焊接頭界面形貌和尺寸的影響

圖3是熱循環(huán)下不同電流密度的Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu釬焊接頭界面形貌。在低電流密度下，如電流密度為4.5×103A/cm2時(見圖3a和圖3b)，Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu界面IMC較為平整，陽極區(qū)界面IMC和陰極區(qū)界面IMC形態(tài)、尺寸差別不大，隨著周期的增加，陽極區(qū)與陰極區(qū)IMC尺寸略微增加。陽極區(qū)與陰極區(qū)界面層都分布著大量“扇貝狀”Cu6Sn5化合物；陽極區(qū)與陰極區(qū)界面IMC臨近母材位置，都有一層薄的Cu3Sn層；在界面與釬料層之間散落著少量的Ag3Sn白色顆粒[12]。陽極區(qū)界面IMC表現(xiàn)為Cu6Sn5略微增加，Cu3Sn未發(fā)生明顯變化；陰極區(qū)界面IMC表現(xiàn)為Cu3Sn略微增多，Cu6Sn5略微減少。

圖3 熱循環(huán)下不同電流密度的Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu釬焊接頭界面形貌

達(dá)到高電流密度7.0×103A/cm2時(見圖3c和圖3d)，陽極區(qū)界面IMC增厚明顯，陰極區(qū)界面IMC厚度略微增加。陽極區(qū)界面附近顆粒狀A(yù)g3Sn聚集成塊，且“扇貝狀”Cu6Sn5向“長條狀”轉(zhuǎn)變[13]，Cu6Sn5相沿著相界面萌生出裂紋，IMC層出現(xiàn)應(yīng)力集中，裂紋最終形成孔洞[14]。釬焊接頭產(chǎn)生的電阻熱在陽極區(qū)對電遷移起到促進(jìn)作用[15]，促進(jìn)了Cu原子由陰極區(qū)向陽極區(qū)遷移，使Cu6Sn5長大，“扇貝狀”化合物逐漸生長。Cu3Sn所需電遷移激活能[16]很大，比較穩(wěn)定，隨電流密度的增加未明顯增加。電遷移使陰極界面IMC的Cu原子流失，Cu6Sn5幾乎全部溶解，只剩下Cu3Sn層，Cu3Sn層厚度增加且向釬料區(qū)生長延伸。在界面與釬縫區(qū)之間出現(xiàn)裂紋與孔洞，這些缺陷增加了電阻熱的生成，使陰極區(qū)IMC厚度增加，在一定程度上抑制了電遷移。

圖4為不同電流密度時Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu釬焊接頭的界面尺寸。由圖4可知：隨著周期的增加，陽極區(qū)IMC平均厚度逐漸增加，在25周期時增加最為明顯。當(dāng)電流密度達(dá)到7.0×103A/cm2時，陽極區(qū)IMC平均厚度開始呈倍數(shù)增加。在25周期，當(dāng)電流密度達(dá)到1.0×104A/cm2時，陽極區(qū)IMC平均厚度達(dá)到 10.9 μm，比電流密度2.0×103A/cm2時增加了7.5 μm，IMC粗糙度增大1倍，IMC形態(tài)也發(fā)生了很大變化，如圖3c所示，“扇貝狀”化合物向“長條狀”轉(zhuǎn)變。當(dāng)電流密度達(dá)到7.0×103A/cm2時，陰極區(qū)IMC平均厚度開始呈冪指數(shù)緩慢增加[17]；在25周期下，當(dāng)電流密度達(dá)到1.0×104A/cm2時，陰極區(qū)IMC平均厚度為5.8 μm，比電流密度為2.0×103A/cm2時增加了2.4 μm，IMC形態(tài)也發(fā)生了劇烈變化，對應(yīng)圖3d所示，在陰極界面IMC與釬縫過渡區(qū)域開始形成大量的裂紋和孔洞。

(a) 陽極IMC平均厚度(b) 陽極IMC粗糙度(c) 陰極IMC平均厚度(d) 陽極IMC粗糙度

圖4 不同電流密度時Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu釬焊接頭的界面尺寸

2.3 電流密度對Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu釬焊接頭性能的影響

圖5為不同電流密度時Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu釬焊接頭剪切強(qiáng)度。圖5表明：隨著周期的增加，釬焊接頭剪切強(qiáng)度下降；隨著電流密度的增加，釬焊接頭的剪切強(qiáng)度整體也呈下降趨勢。當(dāng)電流密度低于7.0×103A/cm2時，釬焊接頭的剪切強(qiáng)度下降較少。當(dāng)電流密度大于7.0×103A/cm2時，釬焊接頭的剪切強(qiáng)度急劇下降。特別是當(dāng)熱循環(huán)周期在15周期以上時更加明顯，呈“陡坡”下降。在15循環(huán)周期，釬焊接頭的剪切強(qiáng)度在電流密度1.0×104A/cm2時比電流密度2.0×103A/cm2時減少了10.6 MPa，下降了50.0%。在25循環(huán)周期，釬焊接頭的剪切強(qiáng)度在電流密度為1.0×104A/cm2時，比電流密度為2.0×103A/cm2時減少了10.1 MPa，下降了55.6%。隨著周期的增加，釬焊接頭的剪切強(qiáng)度下降趨勢越發(fā)明顯，直到接頭電阻過大而引起失效[18]。

圖5 不同電流密度時Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu釬焊接頭剪切強(qiáng)度

圖6為不同電流密度時Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu釬焊接頭斷口形貌。表1為不同電流密度時Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu釬焊接頭斷口平均成分。由圖6和表1可知：電流密度4.5×103A/cm2時的斷口平均原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近釬料質(zhì)量分?jǐn)?shù)，表明斷裂區(qū)域發(fā)生在釬縫區(qū)[19]，斷口呈剪切韌窩為主，局部斷裂小刻面，發(fā)生塑性與韌性混合斷裂的特征。當(dāng)電流密度達(dá)到7.0×103A/cm2，斷口平均原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近Cu3Sn的平均原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而上文中已經(jīng)說明在高電流密度下陰極區(qū)界面IMC成分主要為Cu3Sn，由此得出斷裂區(qū)域發(fā)生在陰極區(qū)界面IMC[20]。剪切斷口觀察不到明顯的韌窩，以解理與斷裂刻面為主，呈典型的脆性斷裂，如圖6b所示。

圖6 不同電流密度時Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu釬焊接頭斷口形貌

元素電流密度為4.5×103A/cm2時斷口平均原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%電流密度為7×103A/cm2時斷口平均原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%Ag0.180.60Sn85.6026.22Cu8.2870.06

3 討論

Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu釬焊接頭在電流密度為7.0×103A/cm2以下時幾乎不發(fā)生電遷移；而在電流密度為7.0×103A/cm2以上時，熱效應(yīng)對電遷移起到促進(jìn)作用，促進(jìn)了Cu原子由陰極區(qū)向陽極區(qū)遷移，促使IMC厚度增加。而陰極區(qū)IMC表現(xiàn)與電遷移定義[21]中所描述的陰極區(qū)IMC的厚度減少相違背，反而出現(xiàn)小幅度增長。這是由于熱效應(yīng)與電遷移作用力相反，在高電流密度下釬焊接頭溫極高，熱效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電遷移的“電子風(fēng)力”的影響。

當(dāng)電流密度低于7.0×103A/cm2時，釬焊接頭引起組織性能改變的能量還沒有達(dá)到引起電遷移現(xiàn)象發(fā)生的電遷移激活能，引起電遷移的“電子風(fēng)力”較小，而電流密度較低，熱效應(yīng)也不明顯，釬縫區(qū)Cu原子遷移緩慢，沒有出現(xiàn)較大的應(yīng)力-應(yīng)變[22]，因此斷裂發(fā)生在釬縫區(qū)。而電流密度高于7.0×103A/cm2時釬焊接頭溫度較高，熱效應(yīng)與電遷移都很明顯，釬焊接頭受到的熱應(yīng)力以及“電子風(fēng)力”使釬縫區(qū)的Cu原子以化合物形式由陰極區(qū)向陽極區(qū)移動，在陰極區(qū)IMC出現(xiàn)大量缺陷，最終形成“脆斷面”，并在此處斷裂失效。綜上所述，當(dāng)電流密度達(dá)到7.0×103A/cm2以上可以觀察到明顯的電遷移現(xiàn)象。

4 結(jié)論

(1)Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu釬焊接頭在電流密度達(dá)到7.0×103A/cm2時,出現(xiàn)明顯的電遷移現(xiàn)象。

(2)在電流密度為7.0×103A/cm2以下時，熱循環(huán)下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RE/Cu釬焊接頭陽極區(qū)與陰極區(qū)界面IMC形態(tài)、尺寸基本未發(fā)生變化；接頭剪切強(qiáng)度緩慢下降，剪切斷口呈塑性與韌性混合斷裂，斷裂發(fā)生在釬縫區(qū)。

(3)在電流密度為7.0×103A/cm2以上時，釬焊接頭陽極區(qū)IMC厚度顯著增長，主要表現(xiàn)為Cu6Sn5的生長；陰極區(qū)IMC厚度呈冪指數(shù)緩慢增加，主要表現(xiàn)為Cu3Sn的生長。剪切強(qiáng)度比未發(fā)生電遷移時降低50%，剪切斷口呈脆性斷裂，斷裂發(fā)生在陰極界面IMC上。

[1] 姚健,衛(wèi)國強(qiáng),石永華,等.電遷移極性效應(yīng)及其對Sn3.0Ag0.5Cu無鉛焊點拉伸性能的影響[J].中國有色金屬學(xué)報,2011,21(12):3094-3099.

[2] 何洪文,徐廣臣,郝虎,等.SnAgCu無鉛焊點的電遷移行為研究[J].電子元件與材料,2007,26(11):53-55.

[3] 常紅,李明雨.SnAgCu無鉛焊點原位電遷移IMC演變[J].電子元件與材料,2011,30(3):58-60.

[4] 李雪梅,孫鳳蓮,張浩,等.微焊點Cu/SAC305/Cu固-液界面反應(yīng)及電遷移行為[J].焊接學(xué)報,2016,37(9):61-64.

[5]CHIU T C,LIN J J,YANG H C,et al.Reliability model for bridging failure of Pb-free ball grid array solder joints under compressive load[J].Microelectronics reliability,2010,50(12):2037-2050.

[6] 糾永濤,閆焉服,盛陽陽，等.活性劑對鋅基釬料助焊劑物理性能及鋪展性能影響[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,34(2):8-12.

[7] 郭興東,張柯柯,邱然鋒，等.苛刻熱循環(huán)對Sn2.5Ag0.7Cu0.1RExNi/Cu釬焊界面及接頭性能的影響[J].中國有色金屬學(xué)報,2016,26(12):2573-2579.

[8] 林瑾.SnAg0.5CuZn0.1Ni/Cu釬焊接頭的組織與力學(xué)性能[J].特種鑄造及有色合金,2016,36(9):985-988.

[9] 張柯柯,王要利,樊艷麗,等.RE含量及環(huán)境條件對SnAgCu釬焊接頭蠕變斷裂壽命的影響[J].稀有金屬材料工程,2007,36(8):1473-1476.

[10] 朱琦,劉娜,肖慧,等.熱循環(huán)條件下通孔插裝焊點失效分析[J].焊接,2012(12):38-42.

[11] 胡家興,景博,湯巍，等.無鉛微焊點的熱效應(yīng)仿真及可靠性分析[J].電子元件與材料,2016,35(3):81-84.

[12] 楊永順,楊棟棟,楊明，等.銅鋁復(fù)合板熱擠壓成形工藝[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,32(6):1-3.

[13] 曹聰聰,張柯柯,王悔改，等.熱循環(huán)下Sn2.5Ag0.7Cu0.1RExNi/Cu釬焊點組織與性能研究[J].焊接,2016(5):22-26.

[14] YONG Z,MA L,YUE L,et al.The effects of thermal cycling on electro migration behaviors in lead-free solder joints[C].13th International Conference on Electronic Packaging Technology and High Density Packaging.2012:1068-1071.

[15] CHEN C,LIANG S W.Electromigration issues in lead-free solder joints[J].Journal of materials science,2007,18(13):259-268.

[16] HUNTINGTON H B，GRONE A R.Current-induced marker motion in gold wires[J].Journal of physics and chemistry of solids,1961,20(12):76-87.

[17] 徐廣臣,何洪文,郭福.焦耳熱作用下共晶錫鉍焊點電遷移特性研究[C].2008電子產(chǎn)品節(jié)能,環(huán)保與安全技術(shù)國際研討會.2008:194-199.

[18] 王家兵.低銀無鉛焊點電遷移性能研究[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2011:17-20.

[19] TU K N.Solder joint technology[M].New York:Springer,2007:25.

[20] KIMIHIRO Y,YUTAKA T,KATSUAKI S.Solder electromigration in Cu/In/Cu flip chip joint system[J].Journal of alloys and compounds,2007(437):186-190.

[21] 余春,李培麟,劉俊龑,等.典型Sn 基焊料凸點互連結(jié)構(gòu)電遷移異同性[J].半導(dǎo)體學(xué)報,2007,28(4):619-624.

[22] 王茜,范曼杰,李先芬，等.溫度時效對SnAgCuLa/Cu接頭金屬間化合物層形貌和厚度的影響[J].有色金屬加工,2016,45(4):24-27,23.

國家自然科學(xué)基金項目(U1604132)；河南省高校科技創(chuàng)新團(tuán)隊支持計劃基金項目(13IRTSTHN003)；河南省科技創(chuàng)新杰出人才計劃基金項目(154200510022)

張超(1990-)，男，河南洛陽人，碩士生；張柯柯(1965-)，男，河南洛陽人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事先進(jìn)連接材料與技術(shù)的研究.

2017-03-27

1672-6871(2017)06-0001-06

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.06.001

TG454

A