Cu5Zn8和Sn/Ag3Sn/Ag扩散阻挡层在Sn/Cu钎焊互连界面反应中的作用

doi:10.3901/JME.2022.02.043

机械工程学报 ›› 2022, Vol. 58 ›› Issue (2): 43-49.doi: 10.3901/JME.2022.02.043

扫码分享

Cu₅Zn₈和Sn/Ag₃Sn/Ag扩散阻挡层在Sn/Cu钎焊互连界面反应中的作用

姚金冶¹, 陈祥序¹, 李花², 马海涛¹, 王云鹏¹, 马浩然³

1. 大连理工大学材料科学与工程学院大连 116024;
2. 航天工程大学宇航科学与技术系北京 101416;
3. 大连理工大学微电子学院大连 116024

收稿日期:2021-05-19 修回日期:2021-10-28 出版日期:2022-01-20 发布日期:2022-03-19
通讯作者: 马海涛(通信作者),男,1971年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向为电子封装无铅钎焊界面反应机制及界面可靠性。E-mail:htma@dlut.edu.cn
作者简介:姚金冶,男,1995年出生,博士研究生。主要研究方向为电子封装界面扩散阻挡层消耗行为及界面反应机理。E-mail:yaojinye@mail.dlut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金资助项目（51871040）。

Effect of Cu₅Zn₈ and Sn/Ag₃Sn/Ag Diffusion Barrier on Interface Reaction of Sn/Cu Soldering

YAO Jinye¹, CHEN Xiangxu¹, LI Hua², MA Haitao¹, WANG Yunpeng¹, MA Haoran³

1. School of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024;
2. Department of Aerospace Science and Technology, University of Aerospace Engineering, Beijing 101416;
3. School of Microelectronics, Dalian University of Technology, Dalian 116024

Received:2021-05-19 Revised:2021-10-28 Online:2022-01-20 Published:2022-03-19

摘要/Abstract

摘要： 电子器件的微型化对钎焊界面的可靠性提出更高的要求，深入研究钎焊界面金属间化合物（Intermetallic compound，IMC）的形貌演变和生长机制具有重要意义。金属Cu具有优良的导电导热性能，在微电子封装行业中广泛应用为基体材料。在钎焊回流过程中，Cu基体与Sn钎料发生界面反应生成IMC，由于IMC具有较高脆性，过度生长的IMC会严重降低焊接接头的可靠性。为了抑制IMC的过度生长，在Cu基体表面分别制备Cu₅Zn₈扩散阻挡层和Sn/Ag₃Sn/Ag扩散阻挡层。研究在不同钎焊工艺下，纯Sn钎料在Cu基板、Cu₅Zn₈扩散阻挡层/Cu基板、Sn/Ag₃Sn/Ag扩散阻挡层/Cu基板上IMC的形貌演变及生长动力学机制，最终试验结果发现Cu₅Zn₈，Sn/Ag₃Sn/Ag扩散阻挡层可以抑制Sn/Cu钎焊互连界面反应。

关键词: 扩散阻挡层, 钎焊, 纯Sn钎料, Cu₅Zn₈, Ag₃Sn

Abstract: The miniaturization of electronic devices is seriously strict with the reliability of soldering interfaces. Therefore, it is of great significance to study the morphology evolution and growth mechanism of intermetallic compounds (IMC) at the soldering interface. Cu has excellent electrical and thermal conductivity that used as matrix material in the microelectronic packaging industry. During the soldering process, intermetallic compound(IMC) formed by interfacial reaction between Cu and Sn solder. Due to the high brittleness of IMC, the excessive growth of IMC will seriously reduce the reliability of welded joints. To overcome the excessive growth of IMC, Cu₅Zn₈diffusion barrier layer and Sn/Ag₃Sn/Ag diffusion barrier laye are prepared on Cu substrate. The morphology evolution and growth mechanism of IMC on Cu, Cu₅Zn₈diffusion barrier layer/Cu and Sn/Ag₃Sn/Ag diffusion barrier layer/Cu under different soldering process are studied. The results show that Cu₅Zn₈diffusion barrier layer, Sn/Ag₃Sn/Ag diffusion barrier layer can inhibit interface reaction of Sn/Cu soldering.

Key words: diffusion barrier, soldering, pure Sn solder, Cu₅Zn₈, Ag₃Sn

中图分类号:

TG425

姚金冶, 陈祥序, 李花, 马海涛, 王云鹏, 马浩然. Cu₅Zn₈和Sn/Ag₃Sn/Ag扩散阻挡层在Sn/Cu钎焊互连界面反应中的作用[J]. 机械工程学报, 2022, 58(2): 43-49.

YAO Jinye, CHEN Xiangxu, LI Hua, MA Haitao, WANG Yunpeng, MA Haoran. Effect of Cu₅Zn₈ and Sn/Ag₃Sn/Ag Diffusion Barrier on Interface Reaction of Sn/Cu Soldering[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2022, 58(2): 43-49.

参考文献

[1] 菅沼克昭. 无铅焊接技术[M]. 北京:科学出版社,2004. Katsuaki S. Lead free welding technology[M]. Beijing:Science Press,2004.
[2] HO C E,Yang S C,Kao C R. Interfacial reaction issues for lead-free electronic solders[J]. Journal of Materials Science Materials in Electronics,2007,18(1-3):155-174.
[3] 程辉明. 先进电子制造技术[M]. 北京:国防工业出版社,2008. CHENG Huiming. Advanced electronic manufacturing technology[M]. Beijing:Defense Industry Press,2008.
[4] 龙绪明. 先进电子制造技术[M]. 北京:机械工业出版社,2010. LONG Xuming. Advanced electronic manufacturing technology[M]. Beijing:China Machine Press,2010.
[5] CHUNG C K,DUH J G,KAO C R. Direct evidence for a Cu-enriched region at the boundary between Cu6Sn5 and Cu3Sn during Cu/Sn reaction[J]. Scr. Mater.,2010,63(2):258-260.
[6] Liu L,Chen Z,Liu C,et al. Micro-mechanical and fracture characteristics of Cu6Sn5 and Cu3Sn intermetallic compounds under micro-cantilever bending[J]. Intermetallics,2016,76:10-17.
[7] SchaefeR M,Fournelle R A,Liang J. Theory for intermetallic phase growth between Cu and liquid Sn-Pb solder based on grain boundary diffusion control[J]. Journal of Electronic Materials,1998,27:1167-1176.
[8] 胡小武,艾凡荣,闫洪. Sn基无铅钎料与Cu基板间化合物Cu6Sn5的研究进展[J]. 电子元件与材料,2012,31(6):79-83. Hu Xiaowu,Ai Fanrong,Yan Hong. Research progress of Cu6Sn5 between Sn-based lead-free solder and Cu substrate[J]. Electronic Components and Materials,2012,31(6):79-83.
[9] 李晓延,杨晓华,兑卫真,等. 时效对Sn-3.8Ag-0.7Cu/Cu焊料接头的组织和拉伸性能的影响[J]. 机械强度,2008,30(1):24-28. LI Xiaoyan,YANG Xiaohua,DUI Weizhen,et al. Effect of aging on microstructure and tensile properties of Sn-3.8Ag-0.7Cu/Cu solder joint[J]. Journal of Mechanical Strength,2008,30(1):24-28.
[10] 邹建,吴丰顺,王波,等. 电子封装微焊点中的柯肯达尔孔洞问题[J]. 电子工艺技术,2010,31(1):1-5. ZOU Jian,WU Fengshun,WANG Bo,et al. Kokendall hole problem in microsolder joints of electronic packaging[J]. Electronic Process Technology,2010,31(1):1-5.
[11] Chiu T C,Zeng K J,Stierman R,et al. Effect of thermal aging on board level drop reliability for Pb-free BGA packages[C]//54th Electronic Components & Technology Conference,(1-2),Proceedings,New York,2004:1256-62.
[12] 纪胜男. 电沉积法制备Sn/Ag复合镀层及其界面演变的研究[D]. 大连:大连理工大学,2019. Ji Shengnan. Preparation of Sn/Ag composite coating by electrodeposition and its interface evolution[D]. Dalian:Dalian University of Technology,2019.
[13] 刘雪华,唐电. Sn基焊料/Cu界面IMC形成机理的研究进展[J]. 电子元件与材料,2011,30(5):5. Liu Xuehua,Tang Dian. Research progress on the formation mechanism of Sn-based solder/Cu interface IMC[J]. Electronic Components and Materials,2011,30(5):5.
[14] Ma D,WANG W D,Lahiri S K. Scallop formation and dissolution of Cu-Sn intermetallic compound during solder reflow[J]. Journal of Applied Physics,2002,91(5):3312-3317.

[1]	张文武, 潘浩, 马秋晨, 李明雨, 计红军. 功率超声微纳电子封装互连技术研究进展[J]. 机械工程学报, 2022, 58(2): 100-121.
[2]	秦国梁, 耿培皓, 陈永, 任文建. 铝/钢异种金属MIG电弧熔-钎焊接界面应力演变数值分析[J]. 机械工程学报, 2021, 57(2): 87-96.
[3]	尹孝辉, 徐凡, 徐东, 丁建祥, 陈继, 丁梓超, 崔冰. 添加ZrC增强相的Cu-Sn-Ti钎料真空钎焊金刚石的微观结构和磨削性能的研究[J]. 机械工程学报, 2021, 57(18): 182-189.
[4]	张玉财, 涂善东, 罗云, 蒋文春, 张显程. 钎焊接头的蠕变损伤与寿命预测[J]. 机械工程学报, 2021, 57(16): 218-234,247.
[5]	宋明, 马帅, 蒋文春, 杜传胜, 王炳英. 小冲杆试验评价平板式固体氧化物燃料电池钎焊密封接头力学性能研究[J]. 机械工程学报, 2021, 57(10): 178-186.
[6]	常青, 张丽霞, 孙湛, 宋义河, 朱泳安. 表面生长碳纳米管对C/C复合材料钎焊接头的影响[J]. 机械工程学报, 2020, 56(8): 20-27.
[7]	伍俏平, 欧阳志勇, 阳慧, 宋琨, 邓朝晖. 碳纳米管对大粒度多层钎焊金刚石砂轮电解修整磨削性能的影响研究[J]. 机械工程学报, 2020, 56(7): 231-239.
[8]	袁锐, 邓胜杰, 崔海超, 麻寕绪, 芦凤桂. 铝-钢异质金属双光束激光焊接IMC层迁移行为及对界面性能的影响[J]. 机械工程学报, 2020, 56(6): 33-40.
[9]	张建勋, 江旭, 徐甄真, 张贵锋. 6061-T6铝合金/SPCC冷轧钢激光熔钎焊特性研究[J]. 机械工程学报, 2020, 56(6): 41-49.
[10]	喻高扬, 陈树海, 黄继华, 杨健, 赵志毅. 气载钎剂辅助钢/铝激光熔钎焊工艺与组织[J]. 机械工程学报, 2020, 56(6): 50-56.
[11]	李淳, 王志权, 司晓庆, 亓钧雷, 冯吉才, 曹健. 轻质金属与陶瓷连接研究综述[J]. 机械工程学报, 2020, 56(6): 73-84.
[12]	罗云, 胡胜鹏, 李子寒, 许志泉, 张雷, 宋晓国, 张丽霞. Ag-CuO钎料空气反应钎焊AlN陶瓷接头组织及性能[J]. 机械工程学报, 2020, 56(6): 95-101.
[13]	张金山, 乔及森, 孔海勇, 苗红丽. 铝圆管蜂窝材料制备及其准静态压缩性能研究[J]. 机械工程学报, 2020, 56(16): 78-83.
[14]	曹健, 贺宗晶, 亓钧雷, 王厚勤, 冯吉才. 采用(Ti/Ni/Cu)_f多层箔钎焊C/C复合材料与TiAl合金[J]. 机械工程学报, 2018, 54(9): 108-114.
[15]	伍俏平, 王煜, 赵恒, 郑维佳, 邓朝晖. 基于多层钎焊金刚石砂轮在线电解修整技术的超细晶硬质合金精密磨削研究[J]. 机械工程学报, 2018, 54(21): 212-220.

Cu₅Zn₈和Sn/Ag₃Sn/Ag扩散阻挡层在Sn/Cu钎焊互连界面反应中的作用

Effect of Cu₅Zn₈ and Sn/Ag₃Sn/Ag Diffusion Barrier on Interface Reaction of Sn/Cu Soldering

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价