钉头凸点/Sn基钎料接头成形及界面反应机制

摘要

随着电子产品向高集成度、大功率和小体积的方向发展，倒装芯片技术受到极大的关注，无铅化的提出使无铅钎料成为研究热点，但无铅钎料有润湿性差、抗电迁移能力差等缺陷。钉头凸点倒装芯片技术以其高可靠性、无铅化和适合小体积封装等特点可解决这一问题。目前最常用的凸点材料是Au，AuSn4往往被认为是混合接头失效的主要原因。基于此，系统地研究了工艺对Au钉头凸点成形及性能的影响，不同Au与Sn的含量对混合接头成形、组织及性能的影响，并分析AuSn4对混合接头可靠性的影响这三个方面。
　　试验结果表明，当超声功率为2，压力为2，温度为150℃时可得到键合质量良好的Au钉头凸点，直径为105μm，高为65μm，剪切强度达76gf。采用120μm、150μm和180μm孔径钢网涂覆钎料，控制混合接头中Au与Sn0.7Cu的相对含量。混合接头中金属间化合物种类相同：AuSn、AuSn2、AuSn4、(Au,Cu)Sn4和(Cu,Au)6Sn5。AuSn4形貌和金属间化合物含量不同：较大尺寸接头中棒状AuSn4较为细长，较大尺寸接头中金属间化合物较多。AuSn4的形貌和含量是影响混合接头性能的主要因素。150℃老化过程，AuSn4为降低表面能而粗化。接头剪切强度均变低，180μm混合接头与纯Sn0.7Cu接头有相当的剪切强度。较大尺寸接头与纯Sn0.7Cu接头的热循环寿命达500周。较小尺寸的接头中金属间化合物较多，抗电迁移能力较强。
　　植球时，超声和压力的配合使Au引线和Cu焊盘产生有效摩擦，超声软化作用促进界面材料塑性变形，热的作用促进原子间的相互扩散，最终形成不平整的机械混合Au/Cu界面。混合接头中Au与Cu对Sn有着竞争关系，Au在Sn中扩散较快，可抑制Cu-Sn化合物的形成，并且热风回流中AuSn4沿Au钉头凸点向基板侧温度梯度最大的方向生长呈现贯穿混合焊点的棒状，不同接头中不同Sn的含量及温度梯度造成AuSn4粗化程度不同。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 引线键合界面反应

1.2.2 Sn基钎料接头界面反应

1.3 本文的主要研究内容

第2章 试验材料和方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备及步骤

2.3 接头质量评价及微观组织形貌表征

2.4 接头的性能测试

2.4.1 剪切性能

2.4.2 显微维氏硬度

2.5 接头可靠性

2.5.1 老化处理

2.5.2 抗热冲击性能

2.5.3 抗电迁移性能

第3章 钉头凸点对混合接头组织的影响

3.1 Au钉头凸点的制备

3.1.1 Au/Cu界面组织

3.1.2 Au钉头凸点的剪切性能

3.2 Au与Sn0.7Cu的含量对混合接头的影响

3.2.1 Au与Sn0.7Cu的含量对接头组织的影响

3.2.2 Au与Sn0.7Cu的含量对冶金反应的影响

3.2.3 Au与Sn0.7Cu含量对接头性能的影响

3.3 本章小结

第4章 Au凸点/Sn0.7Cu钎料接头可靠性

4.1 混合接头的老化处理

4.1.1 混合接头中界面固态反应研究

4.1.2 混合接头老化处理后的剪切性能

4.2 混合接头抗热冲击性能

4.3 混合接头抗电迁移性能

4.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢