尺寸效应下ZnCl_2对无铅微焊点界面反应的影响研究

【摘要】随着欧盟于2003年正式公布了《报废电子电气设备指令》以及《关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令》，全世界都在大力发展环保型的无铅钎料。目前在微电子封装行业中，SnAgCu钎料因其熔点低、机械性能优良以及相对较好的润湿性能，已经逐渐代替了传统的SnPb钎料。但随着产品尺寸的不断减小，无铅微焊点在尺寸效应下的可靠性问题已经成为现阶段微连接工艺的关键问题。本课题模拟硅通孔（TSV）技术中的微连接工艺，选取直径为500μm和100μm的无铅微焊点作为钎料进行芯片互连的试验。分别探讨了500μm钎料与Cu基板之间及100μm无铅钎料钎焊铜丝的界面反应情况。通过前期探索和分析，试验选取了不同钎焊温度、保温时间、钎剂种类，通过光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）及其附带的能谱分析仪（EDS）等试验设备研究了两种连接方式的溶解和扩散行为，分析了氧化及ZnCl2对无铅微焊点界面反应的影响。研究结果表明：在尺寸效应下无铅微焊点钎焊的界面反应与ZnCl2的添加有密切的联系。在缓加热、无保护气氛的钎焊工艺下，尺寸越小的焊料受氧化影响的程度越大。当添加去氧化能力不强的钎剂时，钎剂残留物会堆积在焊料周围，阻碍其润湿铺展，致使部分试样出现“收腰”现象。一般地，钎焊温度越高，可焊性越强；保温时间越长，界面处扩散溶解更充分。但相比钎焊温度和保温时间对焊料的影响，ZnCl2添加含量（质量分数，全文同）的变化对其影响更大。ZnCl2能够有效提高润湿速度，改善润湿反应区域面积。经过试验证明，在钎剂中添加5%ZnCl2的效果最佳。当钎剂中添加5%ZnCl2时，去氧化作用明显，钎料在220℃就能与Cu基板或Cu丝发生良好的润湿反应。当钎剂中不添加ZnCl2时，其界面处反应剧烈，界面形貌以棒状为主，且容易造成Ag3Sn的异常长大，这对焊点的可靠性是很大的隐患。而使用含5%ZnCl2钎剂的试样，界面形貌以贝壳状为主，中间部分仅有少量棒状组织，但在润湿前沿的交换区内发现存在Ag3Sn相。使用含ZnCl2钎剂的试样由于接触面积的增加，降低了单位面积上的溶解量，可以获得厚度较低的IMC（金属间化合物）层。
【作者】苌文龙；
【导师】于治水；
【作者基本信息】上海工程技术大学，材料加工工程，2013，硕士
【关键词】尺寸效应；无铅微焊点；氧化；ZnCl2；润湿铺展；界面反应；

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