00128-銅芯片覆晶接合焊錫隆點(diǎn)及其可靠度分析之研究

行政院國(guó)家科學(xué)委員會(huì)補(bǔ)助專(zhuān)題研究計(jì)劃成果報(bào)告 銅芯片覆晶接合焊錫隆點(diǎn)及其可靠度分析之研究 計(jì)劃類(lèi)別： 個(gè)別型計(jì)劃 整合型計(jì)劃 計(jì)劃編號(hào)： 0 2216 e 006 044 執(zhí)行期間： 89 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 計(jì)劃主持人： 林光隆 共同主持人： 本成果報(bào)告包括以下應(yīng)繳交之附件： 赴國(guó)外出差或研習(xí)心得報(bào)告一份 赴大陸地區(qū)出差或研習(xí)心得報(bào)告一份 出席國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議心得報(bào)告及發(fā)表之論文各一份 國(guó)際合作研究計(jì)劃國(guó)外研究報(bào)告書(shū)一份 執(zhí)行單位：國(guó)立成功大學(xué)材料科學(xué)及工程學(xué)系 中 華 民 國(guó) 90 年 10 月 30 日 1 行政院國(guó)家科學(xué)委員會(huì)專(zhuān)題研究計(jì)劃成果報(bào)告 國(guó)科會(huì)專(zhuān)題研究計(jì)劃成果報(bào)告撰寫(xiě)格式說(shuō)明 劃編號(hào)： 0行期限： 89 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日 主持人：林光隆 國(guó)立成功大學(xué)材料科學(xué)及工程學(xué)系 共同主持人： 計(jì)劃參與人員：劉業(yè)繡 林建泰 尤志豪 侯振祺 國(guó)立成功大學(xué)材料科學(xué)及工程學(xué)系 一、中文摘要 本研究將非晶質(zhì)無(wú)電鍍鎳銅磷鍍層應(yīng) 用于焊錫隆點(diǎn)結(jié)構(gòu)之?dāng)U散障礙層。焊錫隆 點(diǎn)經(jīng) 220 、 15 秒重流后，無(wú)電鍍鎳銅磷 鍍層和 63面會(huì)生成細(xì)晶、須晶 和多邊形晶等三種不同形態(tài)之 (u)3屬間 化合物，而且 (u)3表面形態(tài)會(huì)隨重流次數(shù)、重流溫度和重流 時(shí) 間 改 變 ； 須 晶 和 多 邊 形 晶 形 態(tài) 之 (u)3無(wú)電鍍鎳銅磷鍍層，并散布于 63，而重流溫度超過(guò) 元共晶點(diǎn) （約 227231 ）時(shí)，無(wú)電鍍鎳銅磷鍍層和 熔融 63反應(yīng)速率會(huì)急遽增加， 且長(zhǎng)時(shí)間重流會(huì)使金屬間化合物層變?yōu)檫B 續(xù)層。 關(guān)鍵詞 ：非晶質(zhì)、無(wú)電鍍鎳銅磷、焊錫隆 點(diǎn) in 3 (u)3 320 5 s. (u)3 2 63 (u)3 227231 . a 、緣由與目的 焊錫隆點(diǎn)之可靠度除了受焊錫合金材 料性質(zhì)之影響外，更和隆點(diǎn)底層金屬與焊 錫合金之界面反應(yīng)息息相關(guān) 1因?yàn)榇?界 面 反 應(yīng) 常 造 成 金 屬 間 化 合 物 (生成，而金 屬間化合物的生成厚度 會(huì)直接影響焊錫隆 點(diǎn)之潤(rùn)濕性、結(jié)合強(qiáng)度和可靠度等性質(zhì)。 然而過(guò)量脆性金屬間化合物的生成則會(huì)降 低焊錫隆點(diǎn)之結(jié)合強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度和可 靠度等，而且大量的潤(rùn)濕層金屬溶入熔融 焊錫中還可能導(dǎo)致去潤(rùn)濕 ( 象的發(fā)生 4因此如何準(zhǔn)確地控制隆點(diǎn) 底層金屬與焊錫合金界面金屬間化合物之 成長(zhǎng)將決定焊錫隆點(diǎn)材料性質(zhì)之優(yōu)劣。 本研究之目的是將研究中所制作之無(wú) 電鍍鎳銅磷鍍層應(yīng)用在實(shí)際的焊錫隆點(diǎn)結(jié) 構(gòu)中，分別探討在焊錫重流與時(shí)效熱處理 時(shí)，無(wú)電鍍鎳銅磷鍍層與鉛錫焊錫合金間 之界面反應(yīng)，并分析金屬間化合 物在固相 液相和固相 固相界面反應(yīng)之成長(zhǎng)行 為，以了解無(wú)電鍍鎳銅磷鍍層作為擴(kuò)散障 礙層之效果。 三、結(jié)果與討論 本研究結(jié)果顯示隆點(diǎn)經(jīng) 220 、 15 秒 之 重 流 處 理 后 ， 無(wú) 電 鍍 鎳 銅 磷 鍍 層 和 63錫界面會(huì)生成三種不同形態(tài) (金屬間化合物，如圖 1 所 示，其中一厚度約 200 為細(xì)晶形態(tài) （ ）之金屬間化合物層緊鄰無(wú)電鍍 鎳銅磷鍍層，而位于細(xì)晶金屬間化合物層 上方的分別為須晶 ( ） 和多邊形晶 ( ） 形態(tài)之金屬間化合物。 圖 1 經(jīng) 220 、 15 秒 之 重 流 后 ， i/3點(diǎn)之橫截 面 相圖 圖 2 為 不 同 重 流 次 數(shù) 的 i/3點(diǎn)之橫截 面金相圖，每次重流的溫度為 220 ，時(shí)間 為 15 秒，隨著重流次數(shù)增加，無(wú)電鍍鎳銅 磷鍍層厚度變薄，且多邊形晶之金屬間化 合物生 成量也愈多，可見(jiàn)在反復(fù)重流過(guò)程 無(wú)電鍍鎳銅磷鍍層會(huì)持續(xù)和 63 錫發(fā)生反應(yīng)，緊鄰無(wú)電鍍鎳銅磷鍍層之細(xì) 晶金屬間化合物的厚度會(huì)隨重流次數(shù)增加 而增加，須晶在后續(xù)反復(fù)重流過(guò)程會(huì)逐漸 消失，而多邊形晶則持續(xù)長(zhǎng)大。 (a) 3 (b) 圖 2 不 同 重 流 次 數(shù) 的 i/3點(diǎn)之橫截 面 相圖， (a)三次 (b)十次重流 圖 3(a) 和 3(b) 分 別 為 i/3點(diǎn)經(jīng) 200 、 15 秒和 240 、 15 秒之重流處理后， 無(wú)電鍍鎳銅磷鍍層和 63錫界面 之橫截面金相圖，可以發(fā)現(xiàn)金屬間化合物 之表面形態(tài)隨重流溫度增加發(fā)生明顯變 化。重流溫度為 240 時(shí)須晶變得非常少， 大多生成多邊形晶，而且金屬間化合物的 晶粒也較大，其原因可能是因?yàn)殂~鎳 錫三元系統(tǒng)在 227 和 231 間有一共晶反 應(yīng) 6，因此當(dāng)重流溫度高于此共晶溫度 時(shí)，在焊錫重流時(shí)鎳和銅原子溶入熔融 63錫的速率會(huì)急 遽增加，因而加 速金屬間化合物之成長(zhǎng)。因此當(dāng)重流溫度 高于此共晶溫度時(shí)，在焊錫重流時(shí)鎳和銅 原子溶入熔融 63錫的速率會(huì)急 遽增加，因而加速金屬間化合物之成長(zhǎng)。 (a) (b) 圖 3 (a)經(jīng) 200 、 15 秒之重流后 (b)經(jīng) 240 、 15 秒 之 重 流 后 ， i/3點(diǎn)之橫截 i/35000 1000 () 1500 2000 面 相圖， 由圖 4 可以發(fā)現(xiàn)位于無(wú)電鍍鎳銅磷鍍 層和 63錫界面之 (u)3合物，經(jīng)時(shí)效熱處理后會(huì)形成一連續(xù)且致 密之化合物層，由此可見(jiàn)在時(shí)效熱處理過(guò) 程，無(wú)電鍍鎳銅磷鍍層中的鎳和銅原子會(huì) 擴(kuò)散并穿過(guò) (u)3后和 焊錫合金中的錫原子發(fā)生反應(yīng)，使金屬間 化合物繼續(xù)成長(zhǎng)。 圖 4 經(jīng) 150 、 100 小 時(shí) 之 熱 處 理 后 ， i/3點(diǎn)之橫截 面 相圖 由 于 (u)3合 物 的 厚 度 不 均 勻，因此本研究藉由無(wú)電鍍鎳銅磷鍍層之 消耗量來(lái)計(jì)算金屬間化合物之成長(zhǎng)動(dòng)力 學(xué)；由圖 5 之結(jié)果可知，在 150 之時(shí)效熱 處理時(shí)，無(wú)電鍍鎳銅磷鍍層消耗量與時(shí)效 熱處理時(shí)間的平方根成正比，由此可知經(jīng) 固相 固相界面反應(yīng)生成的 (u)3屬間化合物之成長(zhǎng)為擴(kuò)散控制機(jī)構(gòu)。 4 圖 5 在 150 熱處理時(shí)，無(wú)電鍍鎳銅磷鍍層 和 63面金屬間化合物之成長(zhǎng)動(dòng) 力學(xué) 四、計(jì)劃成果自評(píng) 本研究在第一年度中已完成所提預(yù)計(jì) 達(dá)成工作中之所有項(xiàng)目，其具體成果為： 了解以 無(wú)電鍍鎳銅磷合金作為擴(kuò)散障礙 層，在不同重流條件、多次重流及時(shí)效熱 處理后，焊錫與 料之接口化學(xué)反應(yīng) 及元素?cái)U(kuò)散行為。 五、參考文獻(xiàn) 1 j. h. .