采用二元合金晶體相場模型模擬研究了Sn/Cu互連體系Cu/Cu3Sn界面及金屬間化合物層中Kirkendall空洞形成和形貌演化及長大過程,對Kirkendall空洞生長的微觀機制進行了剖析,同時還模擬和分析了界面Cu3Sn層厚度和雜質(zhì)含量對Kirkendall空洞形貌和生長動力學(xué)的影響.研究表明,Kirkendall空洞的生長過程由4個階段組成:Cu/Cu3Sn界面形成大量原子錯配區(qū),原子錯配區(qū)迅速成長為空洞,空洞的長大及隨后的空洞合并生長.Kirkendall空洞優(yōu)先在Cu/Cu3Sn界面處形核,其尺寸隨時效時間的延長而增大,并在時效后期空洞的生長伴隨有空洞的合并.Cu3Sn層厚度增加和雜質(zhì)含量增多均使得Kirkendall空洞數(shù)量和生長指數(shù)增加以及尺寸增大,并且2種情況下空洞數(shù)量隨時間的變化均呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律. 

【文章來源】：金屬學(xué)報. 2015,51(07)北大核心EISCICSCD

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

模擬計算采用的二維區(qū)域示意圖

arameterrelatedtophasediagram;Bx—theelasticconstantofthecrystal;t1,v—thefluctuationamplitudes;w—thedifferencebetweeninterspeciesbondenergyandselfbondenergy;u—theatomicinteractions;K—thegradientenergycoeffi-cientfortheconcentrationfield;nˉl─thedi-mensionlessdensityofsupercooledliquidphase;nˉs─thedimensionlessdensityofsol-idphase;ψCu─thedimensionlessconcentra-tionofCu-richphase;ψSn─thedimension-lessconcentrationofSn-richphase圖2Cu/Cu3Sn界面和Cu3Sn層Kirkendall空洞的模擬結(jié)果和組織形貌Fig.2SimulatedmorphologiesofKirkendallvoidsattheCu/Cu3SninterfaceandintheCu3Snlayeratdifferenttimestepsoft=0.1×105(a),3×105(b),5×105(c),7×105(d)andtheexperimentalobservationofKirkendallvoids[3]intheSn-3.0Ag-0.5Cu/Cujointagedat217℃for120min(e)and240min(f)馬文婧等:Sn/Cu互連體系界面和金屬間化合物層Kirkendall空洞演化和生長動力學(xué)的晶體相場法模擬877

以探討不同Cu/Sn原子遷移率比值對Kirkendall空洞形貌的影響,模擬結(jié)果如圖3所示.隨Sn原子遷移率的減小,空洞由垂直于界面生長逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫杏诮缑嫔L,且Cu3Sn界面上方的空洞逐漸消失,空洞形貌趨于扁平.根據(jù)文獻[26]可知,不同溫度下Cu原子和Sn原子在Cu3Sn中的原子遷移率相差1~2個數(shù)量級;考慮真實體系中Cu原子和Sn原子遷移率同時受到Cu3Sn,Cu6Sn5和Cu3Sn/Cu6Sn5界面的影響,后續(xù)研究采用的原子遷移率為MSn=0.01及MCu=1.2.2IMC層厚度對Kirkendall空洞形貌和生長動力學(xué)的影響圖4為Cu3Sn層厚度變化時Kirkendall空洞形貌演化的模擬結(jié)果.模擬初始設(shè)置3種Cu3Sn層尺寸范圍512Δx×(103~200)Δy,512Δx×(103~190)Δy和512Δx×(103~180)Δy,Cu層尺寸范圍為512Δx×(1~98)Δy,也即圖4a1~a3,b1~b3和c1~c3中Cu3Sn層與Cu層的厚度比分別為1∶1,9∶10和4∶5,界面取向差設(shè)置為4.8°[23].在相同的演化時間(t=7×105)下,Cu3Sn層厚度越大則對應(yīng)的Kirkendall空洞數(shù)量越多且尺寸越大.從演化過程可以看出,t從0增加到1×105的過程中界面層兩側(cè)的原子不斷吞噬界面,最圖4不同Cu3Sn層厚度下Cu/Cu3Sn界面Kirkendall空洞組織形貌Fig.4SimulatedmorphologiesofKirkendallvoidsattheCu/Cu3SninterfacewiththicknessratiosofCu3SnlayertoCulayerbeing1∶1(a1~a3),9∶10(b1~b3)and4∶5(c1~c3)att=0.6×105(a1,b1,c1),1×105(a2,b2,c2)and7×105(a3,b3,c3)(Insetsshowthecorrespondingenlargedviews)圖3Cu/Cu3Sn界面和Cu3Sn層Kirkendall空洞在不同原子遷移率時的組織形貌Fig.3SimulatedmorphologiesofKirkendallvoidsattheCu/Cu

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Sn/Cu互連體系界面金屬間化合物Cu6Sn5演化和生長動力學(xué)的相場法模擬[J]. 柯常波,周敏波,張新平.  金屬學(xué)報. 2014(03)
[2]BGA結(jié)構(gòu)Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu焊點低溫回流時界面反應(yīng)和IMC生長行為[J]. 周敏波,馬驍,張新平.  金屬學(xué)報. 2013(03)



本文編號：3588648