本文選題：界面反應 + 無鉛焊料��； 參考：《上海交通大學》2015年碩士論文

【摘要】：隨著高密度的電子封裝技術快速發(fā)展,焊點的尺寸和互連高度不斷減小,界面反應和界面微觀結(jié)構(gòu)對焊點性能的影響越來越大,對焊點的可靠性提出了新的要求。另一方面,Sn-Ag系合金焊料被認為是迄今為止封裝行業(yè)中最理想的無鉛焊料。但是,Sn-Ag二元合金相比于傳統(tǒng)錫鉛焊料,在潤濕性和熔點上仍有一定差距。通過加入其它元素的方式能夠提高Sn-Ag合金的性能,其中最具有發(fā)展前景的是SnAgZn和SnAgCu合金。本文選取了Sn-3.5Ag-0.7Cu、Sn-2Ag-2.5Zn、Sn-2Ag-4Zn作為焊料合金,利用單晶銅作為基體,采用等溫時效的方法,對不同焊料和銅單晶的界面反應進行研究,得出金屬間化合物(Intermetallic Compound,IMC)的分析結(jié)果,及其生長動力學隨基體取向和焊料組分的變化規(guī)律;此外,本文還探討了互連高度對焊點IMC生長的影響。研究表明:Sn-3.5Ag-0.7Cu/Cu焊點在回流過程中,界面處形成Cu6Sn5金屬間化合物,單晶銅表面銅原子的溶解速率更快,在靠近銅一側(cè)的焊料中形成銅濃度較高的區(qū)域,生成的Cu6Sn5層厚度要比多晶銅的更大。(111)晶面銅單晶上的Cu6Sn5呈棱柱狀分布,具備一定的擇優(yōu)取向。隨著回流溫度的升高,(111)晶面銅單晶上的Cu6Sn5逐步從扇貝狀向棱柱狀變化。在老化的過程當中,界面金屬間化合物層的厚度持續(xù)增大,IMC形貌變得平整,在Cu6Sn5層和銅基板之間出現(xiàn)Cu3Sn層,單晶銅上Cu3Sn的生長速率大于多晶銅上Cu3Sn的生長速率,相反地,單晶銅上Cu6Sn5的生長速率小于多晶銅上Cu6Sn5的生長速率。Sn-2Ag-2.5Zn/Cu焊點在回流過程中界面形成一層連續(xù)的扇貝狀Cu6Sn5,單晶銅表面形成Cu6Sn5晶粒尺寸要比多晶銅的大。當采用含Zn量較高的Sn-2Ag-4Zn焊料進行焊接時,界面形成Cu5Zn8和Cu6Sn5雙層結(jié)構(gòu)。時效過程中,Cu5Zn8不穩(wěn)定,發(fā)生破碎,焊料與銅基板直接接觸造成Cu6Sn5快速生長�；ミB高度對于Cu/SnAgCu/Cu的界面反應有一定影響。在回流過程中,隨著互連高度的減小,界面IMC的厚度減小。對于10μm焊點,當時效時間達到384h,上下界面的IMC相互接觸,焊料層消耗完全,Cu6Sn5停止生長。Cu/SnAgCu/Cu焊點的上下界面IMC具有不同生長速率,(111)銅上的Cu3Sn的生長速率要遠大于多晶銅上Cu3Sn的生長速率。主要原因是(111)銅上形成的Cu3Sn晶粒呈柱狀分布,且晶界基本與(111)銅表面垂直,多晶銅上形成的Cu3Sn呈不規(guī)則分布。Cu原子沿晶界擴散的速率最快,造成(111)銅上Cu3Sn的生長速率更快。
[Abstract]:With the rapid development of high-density electronic packaging technology, the size and interconnect height of solder joints are decreasing, and the interface reaction and interface microstructure have more and more influence on the properties of solder joints.On the other hand, Sn-Ag alloy solder is considered to be the most ideal lead-free solder in packaging industry.However, the wettability and melting point of Sn-Ag binary alloy are still different from those of traditional tin lead solder.The properties of Sn-Ag alloys can be improved by adding other elements, among which the most promising ones are SnAgZn and SnAgCu alloys.In this paper, Sn-3.5Ag-0.7CuN Sn-2Ag-2.5ZnSn-2Ag-4Zn alloy was selected as solder alloy. The interfacial reaction of different solders and copper single crystals was studied by isothermal aging method using single crystal copper as substrate, and the analytical results of intermetallic compound Intermetallic component IMCwere obtained.In addition, the influence of interconnect height on the growth of solder joint IMC is also discussed.The results show that Cu6Sn5 intermetallic compounds are formed at the interface during reflux of the Sn-3.5 Ag-0.7Cu- / Cu solder joints. The dissolution rate of copper atoms on the surface of single crystal copper is faster, and a higher copper concentration region is formed in the solder near the copper side.The thickness of the formed Cu6Sn5 layer is larger than that of the polycrystalline copper. The Cu6Sn5 on the copper single crystal is prismatic and has a certain preferred orientation.With the increase of reflux temperature, the Cu6Sn5 of copper crystal gradually changed from scallop to prism.During the aging process, the intermetallic intermetallics layer became flat and the Cu3Sn layer appeared between the Cu6Sn5 layer and the copper substrate. The growth rate of Cu3Sn on the single crystal copper was higher than that on the polycrystalline copper. On the contrary, the growth rate of Cu3Sn on the single crystal copper was higher than that on the polycrystalline copper.The growth rate of Cu6Sn5 on single crystal copper is lower than that of Cu6Sn5 on polycrystalline copper. During the reflux process, the interface of Sn-2Ag-2.5Zn / Cu solder joint forms a continuous scalloped Cu6Sn5 layer, and the grain size of Cu6Sn5 formed on the surface of single crystal copper is larger than that of polycrystalline copper.When the Sn-2Ag-4Zn solder with high Zn content is used to weld, the double layer structure of Cu5Zn8 and Cu6Sn5 is formed at the interface.During aging, Cu _ 5Zn _ 8 is unstable and broken, and the direct contact between solder and copper substrate results in the rapid growth of Cu6Sn5.The interconnect height has certain influence on the interface reaction of Cu/SnAgCu/Cu.In the reflux process, the thickness of the interface IMC decreases with the decrease of the interconnect height.For 10 渭 m solder joints, when the aging time is 384h, the IMC of the upper and lower interfaces contacts with each other.The growth rate of Cu3Sn on Cu / SnAgCu / Cu solder joints is much higher than that on polycrystalline copper, and the growth rate of Cu3Sn on copper is much higher than that on polycrystalline copper.The main reason is that the Cu3Sn grains formed on Cu are columnar, and the grain boundaries are perpendicular to the surface of Cu (111), and the Cu3Sn atoms formed on polycrystalline copper exhibit irregular distribution. The diffusion rate of Cu atoms along grain boundaries is the fastest, resulting in the faster growth rate of Cu3Sn on Cu (111).
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG42

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本文編號：1737173