0 引言

    倒装焊技术由于芯片引出端采用面阵列排布方式，具有信号传输距离短、高密度、高频性能优异、低串扰和高可靠等特点，是解决高密度先进封装最为有效的途径之一，已经广泛应用于高密度集成电路封装中。倒装焊工艺中，首先在芯片引出端焊盘上制备凸点，然后使芯片翻转，并与外壳焊盘焊接，以实现机械互连和电气互连。凸点制备通常采用Sn-Pb焊料，主要依靠焊料中的Sn与UBM发生冶金反应，焊料中的Pb并不发生反应。研究表明，当Sn含量不同时，界面处形成的金属间化合物不尽相同^[1]，而金属间化合物则是直接影响凸点焊接质量及长期可靠性的关键因素之一，尤其在高温存储条件下，金属间化合物的成分、厚度及晶粒形态等均会发生显著变化，进而影响倒装焊器件的长期可靠性，因此进行高温存储条件下不同成分Sn-Pb凸点可靠性研究就显得尤为必要。

1 材料准备及试验方法

    选用共晶Sn-Pb焊球（63Sn37Pb）及3种常见的高铅焊球（10Sn90Pb、5Sn95Pb及3Sn97Pb），使之分别与常见的Ti-Cu-Ni结构UBM发生冶金反应形成凸点，焊球直径为100 ?滋m；选用适用于高温Sn-Pb焊料的助焊剂，最高可承受360 ℃高温；选用菊花链芯片，UBM为Ti-Cu-Ni结构，直径为85 μm。

    选用不同成分的Sn-Pb焊球，经助焊剂印刷并回流形成凸点，然后对带有凸点的芯片样品进行高温存储试验，存储温度为150 ℃，存储时间节点分别为100 h、500 h及1 000 h。利用剪切拉脱测试仪对凸点进行剪切强度测试；利用扫描电镜观察凸点的微观组织及IMC形貌；利用Photoshop软件对IMC厚度进行提取，对IMC生长情况进行分析。通过上述手段分析高温存储对凸点可靠性的影响。

2 凸点可靠性分析

2.1 凸点力学性能分析

    4种Sn-Pb凸点抗剪切强度随高温存储的变化情况如图1所示。

    对于3Sn97Pb和10Sn90Pb凸点而言，其剪切强度随高温存储试验的进行，整体上均呈现出先增加后减小的趋势，10Sn90Pb凸点的剪切强度数值始终大于3Sn97Pb。在高温存储过程中，5Sn95Pb凸点的剪切强度呈逐渐下降的趋势，63Sn37Pb凸点的剪切强度变化不大，整体较为稳定。高温存储试验中，63Sn37Pb凸点的剪切强度始终最大，其次为10Sn90Pb。3种高铅凸点中，10Sn90Pb凸点的力学强度最大，且剪切强度值的波动幅度最小，这说明在高温存储过程中，相较于其他两种高铅凸点，10Sn90Pb的力学性能最好。

2.2 凸点界面反应分析

    经过高温存储后不同凸点的横截面照片如图2～图5所示。

    由图2可知，在高温存储过程中，3Sn97Pb凸点界面处IMC层厚度无明显增大，100 h高温存储后在界面处可观测到团簇状晶粒的存在；当高温存储进行到500 h时，界面处IMC层较100 h更为平坦，但能观测到细齿状凸起；当高温存储进行到1 000 h时，团簇状晶粒横向尺寸明显增大，并开始出现扇贝化趋势。

    由图3和图4可知，5Sn95Pb凸点在高温存储过程中界面处IMC层厚度略有增大，当高温存储达到1 000 h时，界面处IMC层呈现扇贝状结构。在高温存储过程中，10Sn90Pb凸点界面处IMC层始终保持为连续的层状结构，随着时间的延长，IMC层厚度不断增大。

    由图5可知，63Sn37Pb凸点界面处IMC层的形态在高温存储过程中存在较为明显的变化，回流完成时IMC层厚度很小，且能观测到细长状的凸起，焊料内部的富Sn相尺寸很小，弥散分布在凸点中；当高温存储进行到100 h时，IMC层厚度已明显增大，约变为回流后初始厚度的4倍，IMC层较为平坦，不同区域的IMC层厚度较为一致，此外焊料内部出现大面积的Sn的富集；随着高温存储时间的继续进行，IMC层厚度和焊料内部的富Sn相尺寸继续增大；当高温存储进行到1 000 h时，界面处IMC层厚度为初始厚度的7.5倍左右，呈现出扇贝状形态，焊料内部的富Sn相大面积桥连。

    高温存储过程中不同成分凸点IMC层厚度的变化情况如图6所示。由图6可知，随着高温存储的进行，4种成分凸点界面处IMC厚度逐渐增加，在高温存储初期，63Sn37Pb界面处IMC厚度增长最快，其次为10Sn90Pb，3Sn97Pb和5Sn95Pb凸点IMC厚度增长速度相差不大，这与二者的Sn含量相近有关。此外，随高温存储过程的进行，4种凸点界面处IMC厚度增长速度均有不同程度的减缓，当高温存储进行到500 h左右时，3Sn97Pb凸点IMC厚度即不再发生变化。1 000 h高温存储完成后，3Sn97Pb和5Sn95Pb凸点界面处IMC层厚度值相差无几，63Sn37Pb凸点界面处IMC厚度值最大。在相同的条件下，界面处IMC层的厚度仍与焊料中Sn元素的含量有关，Sn含量越高，高温存储后形成的IMC层也越厚^[2]。

    高温存储后不同成分凸点界面处IMC的top view形态如图7所示。

    由图7可知，在高温存储试验过程中，4种成分凸点的IMC晶粒形态均发生了明显变化。当高温存储进行到100 h时，4种凸点界面处IMC晶粒形态均出现棱晶状向贝壳状转变的趋势^[3]。通过EDX分析后可知，此时3Sn97Pb和5Sn95Pb凸点界面处IMC的主要成分为Ni3Sn2和Ni3Sn，10Sn90Pb和63Sn37Pb 凸点界面处IMC的主要成分为Ni3Sn4。

    当高温存储进行到500h时，5Sn95Pb和10Sn90Pb凸点的IMC中均观测不到细轴状晶粒的存在，晶粒出现粗化，呈现出不规则的扇贝状结构，而此时63Sn37Pb凸点的IMC晶粒严重粗化，转变为屋脊状结构。3Sn97Pb凸点界面处IMC晶粒仍保持棱晶状。对于3Sn97Pb和5Sn95Pb凸点而言，高温存储500h后，IMC的主要成分仍为Ni3Sn2和Ni3Sn，这是因为与其他两种焊料相比，3Sn97Pb和5Sn95Pb焊料中Sn含量最少，因此，即使经过长时间的高温存储，Sn原子有充足的时间可扩散至IMC/焊料的界面处，但是扩散的Sn原子数量相较于Ni原子而言仍然非常少^[4]，所以在界面处只能形成Ni3Sn和Ni3Sn2。

    此时10Sn90Pb凸点界面处IMC的主要成分为Ni3Sn4和Ni3Sn2。在靠近焊料的一侧，IMC的主要成分为Ni3Sn4，靠近焊盘的一侧IMC主要成分为Ni3Sn2，这种现象是由原子浓度梯度不同导致的^[5]。由Ni-Sn二元相图可知，在10Sn90Pb凸点回流焊初始阶段，焊盘中的Ni不断溶解到熔融焊料中，Ni和Sn原子供应均充足，此时形成的金属间化合物主要是Ni3Sn4。在回流之后，随着高温存储的不断进行，Sn原子浓度逐渐降低，导致Sn原子供应不足，而在IMC/焊盘的界面处，Sn原子通过扩散作用到达该处，与焊盘中的Ni原子发生反应形成IMC，此时Ni原子相对过量，因此形成Ni3Sn2。高温存储过程中，63Sn37Pb界面处IMC的主要成分始终为Ni3Sn4。

    在高温存储过程中，不同成分凸点中IMC晶粒尺寸的增加速度也呈现出较为明显的差异：在高温存储试验前期，63Sn37Pb凸点IMC生长速度最快，晶粒粗化现象也最为严重；10Sn90Pb凸点IMC晶粒生长速度其次，随着焊料中Sn含量的降低，在高温存储过程中IMC晶粒的生长速度也逐渐降低；当高温存储试验进行到一定时间后，不同成分的凸点界面处IMC晶粒的生长速度均有所减慢。经过500h高温存储后，63Sn37Pb凸点IMC晶粒尺寸最大，3Sn97Pb凸点中晶粒尺寸最小。

3 结论

    本文通过对比经历高温存储试验前后3Sn97Pb、5Sn95Pb、10Sn90Pb以及63Sn37Pb凸点的力学性能、IMC层厚度及IMC晶粒形貌，得出以下结论：

    (1)随着高温存储试验的进行，不同成分凸点的剪切力整体上呈现先增加后减小的趋势，其中10Sn90Pb凸点剪切强度波动幅度最小；

    (2)界面处IMC层厚度与焊料中Sn元素含量有关，Sn含量越高，高温存储后形成的IMC层越厚，63Sn37Pb界面IMC变化最为明显；

    (3)焊料中Sn含量越低，高温存储过程中IMC晶粒的生长速度越低，其中63Sn37Pb凸点IMC生长速度最快，晶粒粗化现象最为严重，10Sn90Pb凸点IMC生长速度其次；

    (4)高温存储过程中，63Sn37Pb界面处IMC的主要成分始终为Ni3Sn4，10Sn90Pb凸点界面处IMC的主要成分为Ni3Sn4和Ni3Sn2。

参考文献

[1] 杨雪霞.电子封装中金属间化合物力学性能的研究及焊点可靠性分析[D].太原：太原理工大学，2013：29-35.

[2] 杨晓华.Sn-Pb共晶焊接接头中IMC的形成及时效演变[J].有色金属，2007，59（3）：37-42.

[3] Wang Kaizheng，CHEN C M.Intermetallic compound formation and morphology evolution[J].Journal of Electronic Materials，2005，12(34)：128-133.

[4] 杨光育，徐欣，董义.无铅合金与锡铅合金性能对比分析[J].电子工艺技术，2008，29(6)：328-333.

[5] HE M，KUMARA A，YEO P T.Interfacial reaction between Sn-rich solders and Ni-based metallization[J].Thin Solid Films，2004，11(9)：387-394.

作者信息:

文惠东，林鹏荣，曹玉生，练滨浩，王  勇，姚全斌

(北京微电子技术研究所，北京100076)