Sn基焊点多次回流界面反应机理及动力学研究

摘要

电子产品微型化推动封装技术由二维(2D)向三维(3D)发展，而多次回流工艺是3D封装普遍应用的技术。现有研究大都将多次回流简单归结为一次回流焊处理，所获得的多次回流界面反应机制与实际偏差较大。本文应用同步辐射实时成像及高压吹扫技术，分离多次回流钎焊过程各个阶段，并结合相应模拟手段，深入研究钎料合金成分、回流工艺参数、气泡缺陷、焊点尺寸下钎焊液固反应过程界面金属间化合物(IMC)生长机理及动力学，清晰地揭示出各Sn/Cu体系钎焊界面反应过程，并建立多次回流界面IMC生长模型。论文获得主要结论如下:
　　1.Sn/Cu焊点多次回流保温阶段，界面IMC生长控制机制逐渐从Cu晶界扩散转变为体扩散，动力学时间指数由1/3趋近1/2;冷却阶段，界面IMC受Cu沉积作用快速生长，动力学时间指数为1;再加热阶段，Cu溶解度改变使界面IMC发生部分溶解，动力学时间指数为1，与冷却阶段互逆;基于此，建立Sn/Cu体系多次回流界面IMC生长物理模型。Sn-xCu/Cu焊点中Cu浓度升高，界面IMC生长速率增大，晶界扩散对界面IMC生长贡献相对减小;Sn-xAg/Cu焊点中，Ag3Sn纳米颗粒吸附在界面IMC晶粒表面，提高晶界扩散对界面IMC生长的贡献，且Ag3Sn尺寸越小、分布越弥散，效果越明显;TiO2纳米粒子能够抑制多次回流过程中界面IMC的生长，且温度越低，Sn-xTiO2/Cu焊点中TiO2含量越高，抑制效果越强。
　　2.温度升高，保温时间延长，界面IMC尺寸、保温动力学时间指数增大;回流次数增多，界面IMC尺寸增大但平均生长速率降低;冷却速率加快，界面IMC平均生长速率增大，最终界面IMC尺寸、动力学时间指数减小。
　　3.多次回流过程中，界面气泡与IMC会产生交互生长作用:IMC的生长、溶解及热胀冷缩会改变气泡尺寸;气泡隔绝液态钎料与Cu基板间接触，阻碍Cu向液钎内扩散，反过来抑制IMC生长。
　　4.Sn/Cu及Sn-0.7Cu/Cu焊点尺寸减小，液钎中Cu浓度增大，IMC层厚度增大。Sn-3.5Ag/Cu焊点受Cu浓度和Ag3Sn颗粒的双重作用，尺寸减小，IMC层厚度先增大后减小。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1三维电子封装技术

1．1．1三维电子封装技术简介

1．1．2三维电子封装技术的发展与挑战

1．2多次回流界面反应

1．2．1 经典界面反应机理概述

1．2．2界面反应的影响因素

1．2．3 多次回流界面反应研究现状及问题

1．3 同步辐射成像技术在界面反应研究中的应用

1．3．1 同步辐射成像技术原理

1．3．2同步辐射成像技术在钎焊界面反应中的应用

1．4本文主要研究思路与内容

2实验材料与方法

2．1实验材料

2．2样品制备

2．3实验设计及方法

2．3．1扫描电镜非原位测试

2．3．2同步辐射原位测试

2．4表征与分析

3不同成分Sn基焊点多次回流界面反应机理

3．1 Sn／Cu焊点多次回流界面反应

3．1．1 多次回流界面IMC生长行为

3．1．2多次回流各阶段界面IMC演变及影响因素

3．1．3多次回流界面IMC生长动力学

3．1．4多次回流界面IMC生长模型

3．2 Sn-xCu／Cu焊点多次回流界面反应

3．2．1焊点中的Cu浓度分布

3．2．2 Cu浓度对多次回流界面IMC形貌的影响

3．2．3 Cu浓度对多次回流界面IMC生长机理及动力学的影响

3．3 Sn-xAg／Cu焊点多次回流界面反应

3．3．1焊点中的Ag存在形式及浓度分布

3．3．2 Ag浓度对多次回流界面IMC形貌影响

3．3．3 Ag浓度对多次回流界面IMC生长机理及动力学影响

3．4 Sn-xTiO2／Cu焊点多次回流界面反应

3．4．2温度对TiO2抑制界面IMC生长效果的影响

3．5本章小结

4工艺参数作用下Sn／Cu焊点多次回流界面反应机理

4．1 回流温度对Sn／Cu界面IMC生长的作用

4．2保温时间及回流次数对Sn／Cu界面IMC生长的作用

4．3冷却速率对Sn／Cu界面IMC生长的作用

4．4本章小结

5含气泡Sn／Cu焊点多次回流界面反应机理

5．1首次回流过程界面气泡的生长演变

5．2多次回流过程界面气泡与IMC的交互生长

5．2．1界面气泡与IMC的生长演变

5．2．2界面气泡与IMC的交互生长机理

5．3本章小结

6不同尺寸Sn基焊点多次回流界面反应机理

6．1 Sn／Cu焊点多次回流的尺寸效应

6．1．1 Sn／Cu焊点尺寸效应现象

6．1．2 Sn／Cu焊点尺寸效应作用机理

6．2 Sn-0．7Cu／Cu焊点多次回流的尺寸效应

6．2．2 Sn-0．7Cu／Cu焊点尺寸效应作用机理

6．3 Sn-3．5Ag／Cu焊点多次回流的尺寸效应

6．3．1 Sn-3．5Ag／Cu焊点尺寸效应现象

6．3．2不同尺寸焊点中的Cu浓度分布

6．3．3 Sn-3．5Ag／Cu焊点尺寸效应作用机理

6．4本章小结

7结论与展望

7．1结论

7．2创新点

7．3展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介