無鉛共晶焊料在厚Cu凸點下金屬化層上的潤濕反應

2024-07-05

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無鉛共晶焊料在厚Cu凸點下金屬化層上的潤濕反應

無鉛共晶焊料在厚Cu凸點下金屬化層上的潤濕反應涉及多個(ge) 方麵，以下是對這一過程的詳細分析：

我們(men) 對4種不同的共晶焊料（SnPb、SnAg、SnAgCu 和 SnCu）在電鍍製備的厚Cu（15 μm）UBM層上的反應進行比較分析。

4種共晶焊料在Cu UBM 層上經過2次回流後的互連界麵的 SEM 照片(c)

(a)SnPb;(b)SnAg;(e)SnAgCu;(d)SnCu

170℃下固態老化1500h後4種焊料與(yu) Cu互連界麵處的光學顯微鏡照片(a)SnPb;(b)SnAg;(c)SnAgCu;(d)SnCu

所有試樣中均觀察到扇貝狀Cu₆Sn₅，這是Cu與(yu) Sn基焊料反應形成的典型金屬間化合物（IMC）。

無鉛焊料與(yu) Cu界麵處的筍釘狀Cu₆Sn₅比SnPb焊料界麵處的更大，這可能與(yu) 無鉛焊料的成分和回流條件有關(guan) 。

在SnAg和SnAgCu焊料中，觀察到非常大的片狀或筍釘狀Ag₃Sn金屬間化合物。這些IMC的形成與(yu) 焊料中的Ag含量有關(guan) ，Ag與(yu) Sn反應形成Ag₃Sn。

固態老化對IMC形貌的影響：

固態老化過程使扇貝狀Cu₆Sn₅形貌變為(wei) 層狀形貌，隨著Cu原子的不斷擴散，並明顯形成了一層Cu₃Sn。這表明IMC在老化過程中會(hui) 經曆形態和組成的變化。

SnPb焊料在老化過程中焊料基體(ti) 晶粒普遍長大，且緊鄰CuSn層處形成了富Pb層。這可能與(yu) SnPb焊料的相變和元素擴散有關(guan) ，Pb不與(yu) Cu發生IMC反應。

無鉛焊料在老化過程中晶粒生長不明顯，這可能與(yu) 無鉛焊料的成分和穩定性有關(guan) 。

固態老化過程中Cu的消耗量與(yu) 潤濕反應中消耗的Cu量具有相同的數量級，盡管時間差異達到4個(ge) 數量級。這表明IMC的形成速率在潤濕反應中遠高於(yu) 固態老化過程，與(yu) 金屬原子的濃度有關(guan) 。

這可能是因為(wei) 潤濕反應是在高溫下進行的，且焊料與(yu) Cu基體(ti) 直接接觸，有利於(yu) 快速形成IMC。而固態老化過程是在較低的溫度下進行的，元素擴散和反應速率較慢。

結論：

SnPb焊料和無鉛焊料在Cu UBM層上的反應存在顯著差異，特別是在IMC的形成和形貌變化方麵。

無鉛焊料在固態老化過程中表現出較好的穩定性，晶粒生長不明顯。

潤濕反應中IMC的形成速率遠高於(yu) 固態老化過程，這可能與(yu) 溫度、元素擴散速率和焊料成分有關(guan) 。

這些信息對於(yu) 選擇合適的焊料和優(you) 化焊接工藝參數具有重要意義(yi) ，以確保電子產(chan) 品的可靠性和長期穩定性。

 [1]K,N.Tu and K.Zeng,“Tin-lead ( $nPb) solder reaetion in flip chip tech-nology," MaterialsScienee and Engineering Reports,R34,1-58 ( 2001).( Review paper)

[2]K.Zeng and K.N.Tu , "Six cases of reliability study of Pb-free solder joints in electron packagingtechnology," Materials Seience and Engineer -ing Reports, R38, 55 - 105 ( 2002 ).( Review

paper )

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