激光重熔微小接头中金锡化合物的演化及抑制

论文摘要

UBM （Under Bump Metallization）及各种焊盘表面的Au镀层会与Sn发生反应生成脆性的Au-Sn化合物。随着接头尺寸减小,Au在钎焊接头中的含量会大比例增加。此外,在MEMS （Micro Electromechanical System）、光电子、微传感器件及微波器件中,Au有时被直接用作焊接层。Au-Sn化合物的生长和形貌将对接头的性能和可靠性产生决定性影响,而激光加热的特点决定用该方法得到接头内部Au-Sn化合物的生长和形貌十分特殊。本文采用分别镀有不同厚度（0.1、0.5、0.9和4.0微米）Au层的焊盘,直径为120微米的Sn-3.5Ag-0.75Cu、Sn-2.0Ag-0.75Cu-3.0Bi和Sn-37Pb钎料球,研究激光重熔微小接头中Au含量对钎料合金与焊盘界面处Au-Sn化合物生长和演变的影响。结果表明,在老化过程中接头中的针状或层片状的AuSn4化合物均会发生粗化,并在界面处生成层状化合物,AuSn4化合物层厚度随着接头中Au含量的增加而增长。此外,还研究了焊盘表面镀有4.0微米厚Au层接头在老化过程中界面处AuSn4化合物反应动力学。结果表明,钎料合金成分对Au-Sn化合物的生长和演变速度影响巨大。Sn-3.5Ag-0.75Cu、Sn-2.0Ag-0.75Cu-3.0Bi和Sn-37Pb接头中AuSn4化合物的生长激活能分别为153.0、20.1和77.8kJ/mol。对激光重熔微小接头在老化过程中出现塌陷现象的机理进行研究,发现钎料合金中的Sn向微小接头边缘处富Au的Au-Sn化合物和剩余的Au层扩散,并发生反应,导致接头边缘处钎料合金中的Sn大量被消耗是塌陷现象产生的直接原因。随着Au层厚度的增长和Au在接头中所占比例的增加,Au-Sn反应会持续进行下去,塌陷现象将变得更为严重。而焊盘表面镀有较薄（0.1微米）Au层的接头,在重熔时Au即已经全部溶解进入接头,钎料与底层的Ni进行连接。在老化过程中,仅有Au-Sn化合物向Ni层的沉积,而没有Sn大量被消耗,不出现塌陷现象。在Sn基合金中添加不同含量的Pb、Bi、Sb、Ag、Cu和Zn合金元素,研究合金元素对激光重熔接头界面处Au-Sn化合物和相生长和演变的影响,发现Pb和Bi元素会促进Au-Sn化合物的生长,增加Pb和Bi元素含量,Au-Sn化合物的生长速度随之提高;Sb元素会促进Au-Sn化合物的生长,但如果增加较多的Sb元素,其对Au-Sn化合物生长的促进效果反而有所减弱;Ag元素会对Au-Sn化合物的生长具有抑制作用,但随着Ag含量的增多,其对Au-Sn化合物生长抑制的效果并没有发生叠加。Cu和Zn元素的作用机制与以上元素不同,Cu元素会与Sn和Au元素发生作用生成Sn-Cu-Au三元相取代界面处的AuSn4化合物;Zn元素则会与Au作用生成Zn-Au和Zn-Au-Sn相。增加Cu和Zn元素的含量对Au-Sn化合物生长的抑制效果更为显著。以八面体簇模型,采用相对论DV-Xα法计算合金元素对Au与Sn相互作用的影响,从原子轨道相互作用强弱变化的角度来研究不同接头中Au-Sn化合物生长情况的差异,并提出了合金元素对Au-Sn化合物演变影响的原子轨道相互作用机理。计算结果与试验的结论互相印证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.2 微电子行业中常用的连接技术和方法
• 1.3 钎料合金与焊盘界面反应研究现状
• 1.3.1 Sn 基钎料与Au 层界面反应
• 1.3.2 Sn 基钎料与Cu 界面反应
• 1.3.3 Sn 基钎料与 Ni 界面反应
• 1.4 科学计算方法在材料科学领域中的应用
• 1.4.1 热力学计算方法
• 1.4.2 基于分子轨道理论的量子化学计算方法
• 1.5 本文研究内容
• 第2章 试验方法及激光重熔接头的制备
• 2.1 试验研究过程
• 2.2 试验材料
• 2.3 试验方法及设备
• 2.3.1 激光重熔接头制备
• 2.3.2 老化试验及界面分析方法
• 2.4 激光重熔接头界面原始组织
• 2.4.1 不同 Au 含量微小接头界面组织
• 2.4.2 添加不同合金元素接头界面组织
• 2.5 本章小结
• 第3章 金锡化合物在老化过程中的演变
• 3.1 前言
• 3.2 不同厚度 Au 镀层接头中金锡化合物演变过程
• 3.3 不同厚度 Au 镀层接头中金锡化合物演变机理
• 4化合物反应动力学计算'>3.4 AuSn₄化合物反应动力学计算
• 3.5 本章小结
• 第4章 塌陷现象及机理研究
• 4.1 前言
• 4.2 接头的外观情况
• 4.3 接头的界面情况
• 4.4 塌陷现象形成机理
• 4.5 本章小结
• 第5章 金锡化合物的生长和控制
• 5.1 前言
• 5.2 Pb、Bi、Sb 和 Ag 元素对金锡化合物演变的影响
• 5.2.1 纯 Sn 接头中金锡化合物的演变
• 5.2.2 Sn-xPb 接头中相及金锡化合物的演变
• 5.2.3 Sn-xBi 接头中相及金锡化合物的演变
• 5.2.4 Sn-xSb 接头中相及金锡化合物的演变
• 5.2.5 Sn-xAg 接头中相及金锡化合物的演变
• 5.3 Cu 元素对金锡化合物演变的影响
• 5.4 Zn 元素对金锡化合物演变的影响
• 5.5 Sn-xM 接头中金锡化合物演变速度
• 5.5.1 添加了 Pb、Bi、Sb 和 Ag 合金元素的接头
• 5.5.2 添加了 Cu 合金元素的接头
• 5.5.3 添加了 Zn 合金元素的接头
• 5.6 本章小结
• 第6章 合金元素对金锡化合物演变影响的机理
• 6.1 前言
• 6.2 分子轨道理论的基本原理及要点
• 6.3 Schr?dinger 方程及其求解过程
• 6.4 重粒子量子化学计算的相对论效应
• 6.5 相对论 DV-Xα法基本计算过程
• 6.5.1 簇模型的建立
• 6.5.2 相对论 DV-Xα法计算流程
• 6.6 原子轨道相互作用数值分析
• 6.6.1 纯 Sn 接头
• 6.6.2 含 Pb 合金元素接头
• 6.6.3 含 Bi 合金元素接头
• 6.6.4 含 Sb 合金元素接头
• 6.6.5 含 Ag 合金元素接头
• 6.6.6 含 Cu 合金元素接头
• 6.6.7 含 Zn 合金元素接头
• 6.7 合金元素 M 对金锡反应的影响
• 6.8 合金元素 M 对金锡化合物演变影响的机理
• 6.9 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历