00128銅芯片覆晶接合焊錫隆點及其可靠度分析之研究

1、行政院國家科學委員會補助專題研究計劃成果報告銅芯片覆晶接合焊錫隆點及其可靠度分析之研究 計劃類別：個別型計劃 整合型計劃計劃編號：nsc 902216e006044執(zhí)行期間：89 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日計劃主持人：林光隆共同主持人：本成果報告包括以下應繳交之附件：赴國外出差或研習心得報告一份赴大陸地區(qū)出差或研習心得報告一份出席國際學術會議心得報告及發(fā)表之論文各一份國際合作研究計劃國外研究報告書一份執(zhí)行單位：國立成功大學材料科學及工程學系中華民國90 年10 月30 日1行政院國家科學委員會專題研究計劃成果報告國科會專題研究計劃成果報告撰寫格式說明preparat

2、ion of nsc project reports計劃編號：nsc 90-2216-e-006-044執(zhí)行期限：89 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日主持人：林光隆 國立成功大學材料科學及工程學系共同主持人：計劃參與人員：劉業(yè)繡 林建泰 尤志豪 侯振祺國立成功大學材料科學及工程學系一、中文摘要本研究將非晶質(zhì)無電鍍鎳銅磷鍍層應用于焊錫隆點結構之擴散障礙層。焊錫隆點經(jīng) 220、15 秒重流后，無電鍍鎳銅磷鍍層和 63sn-37pb 界面會生成細晶、須晶和多邊形晶等三種不同形態(tài)之(ni,cu)3sn4金屬間化合物，而且(ni,cu)3sn4化合物之表面形態(tài)會隨重流次數(shù)、重流溫度和重

3、流時 間 改 變 ； 須 晶 和 多 邊 形 晶 形 態(tài) 之(ni,cu)3sn4化合物在反復重流過程會脫離無電鍍鎳銅磷鍍層，并散布于 63sn-37pb中，而重流溫度超過 cu-ni-sn 三元共晶點（約 227231）時，無電鍍鎳銅磷鍍層和熔融 63sn-37pb 之反應速率會急遽增加，且長時間重流會使金屬間化合物層變?yōu)檫B續(xù)層。關鍵詞：非晶質(zhì)、無電鍍鎳銅磷、焊錫隆點abstractthe amorphous ni-cu-p deposit is applied as the diffusion barrier layer of the bump structure in the study

4、. for 63sn-37pbsolder, the (ni,cu)3sn4 compounds with three different morphologies of fine grain, whisker, and polygon grain were formed at the ni-cu-p/63sn-37pb interface after reflowat 220 for 15 s. besides, the morphology of the (ni,cu)3sn4 compound changes with respect to reflow cycle, reflow te

5、mperature, and reflow time. the whisker and polygon grain detach from the ni-cu-p deposit and 2fall into the 63sn-37pb solder during multiple reflow. the (ni,cu)3sn4compound grows much rapidly when the reflow temperature is above the cu-ni-sneutectic temperature, 227231. a continuous compound layer

6、forms after long-time reflow.keywords: amorphous, electroless deposition,ni-cu-p, solder bump二、緣由與目的焊錫隆點之可靠度除了受焊錫合金材料性質(zhì)之影響外，更和隆點底層金屬與焊錫合金之界面反應息息相關1-3，因為此界 面 反 應 常 造 成 金 屬 間 化 合 物(intermetallic compound)之生成，而金屬間化合物的生成厚度會直接影響焊錫隆點之潤濕性、結合強度和可靠度等性質(zhì)。然而過量脆性金屬間化合物的生成則會降低焊錫隆點之結合強度、抗疲勞強度和可靠度等，而且大量的潤濕層金屬溶入熔融焊錫

7、中還可能導致去潤濕(dewetting)現(xiàn)象的發(fā)生4-5，因此如何準確地控制隆點底層金屬與焊錫合金界面金屬間化合物之成長將決定焊錫隆點材料性質(zhì)之優(yōu)劣。本研究之目的是將研究中所制作之無電鍍鎳銅磷鍍層應用在實際的焊錫隆點結構中，分別探討在焊錫重流與時效熱處理時，無電鍍鎳銅磷鍍層與鉛錫焊錫合金間之界面反應，并分析金屬間化合物在固相液相和固相固相界面反應之成長行為，以了解無電鍍鎳銅磷鍍層作為擴散障礙層之效果。三、結果與討論本研究結果顯示隆點經(jīng) 220、15 秒之 重 流 處 理 后 ， 無 電 鍍 鎳 銅 磷 鍍 層 和63sn-37pb 焊錫界面會生成三種不同形態(tài)(morphology)的金屬間化合

8、物，如圖 1 所示，其中一厚度約 200 nm 且為細晶形態(tài)（layer f）之金屬間化合物層緊鄰無電鍍鎳銅磷鍍層，而位于細晶金屬間化合物層上方的分別為須晶(whisker)（layer w）和多邊形晶 (polygonal grain)（layer p）形態(tài)之金屬間化合物。圖 1 經(jīng) 220 、 15 秒 之 重 流 后 ，si/ti/al/ni-cu-p/63sn-37pb 隆點之橫截面 sem 金相圖圖2為 不 同 重 流 次 數(shù) 的si/ti/al/ni-cu-p/63sn-37pb 隆點之橫截面金相圖，每次重流的溫度為 220，時間為 15 秒，隨著重流次數(shù)增加，無電鍍鎳銅磷鍍層厚度

9、變薄，且多邊形晶之金屬間化合物生成量也愈多，可見在反復重流過程無電鍍鎳銅磷鍍層會持續(xù)和 63sn-37pb 焊錫發(fā)生反應，緊鄰無電鍍鎳銅磷鍍層之細晶金屬間化合物的厚度會隨重流次數(shù)增加而增加，須晶在后續(xù)反復重流過程會逐漸消失，而多邊形晶則持續(xù)長大。(a)3(b)圖 2 不同重流次數(shù)的si/ti/al/ni-cu-p/63sn-37pb 隆點之橫截面 sem 金相圖，(a)三次(b)十次重流圖3(a) 和3(b) 分 別 為si/ti/al/ni-cu-p/63sn-37pb 隆點經(jīng) 200、15 秒和 240、15 秒之重流處理后，無電鍍鎳銅磷鍍層和 63sn-37pb 焊錫界面之橫截面金相圖，

10、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，其原因可能是因為銅鎳錫三元系統(tǒng)在 227和 231間有一共晶反應6，因此當重流溫度高于此共晶溫度時，在焊錫重流時鎳和銅原子溶入熔融63sn-37pb 焊錫的速率會急遽增加，因而加速金屬間化合物之成長。因此當重流溫度高于此共晶溫度時，在焊錫重流時鎳和銅原子溶入熔融 63sn-37pb 焊錫的速率會急遽增加，因而加速金屬間化合物之成長。(a)(b)圖 3 (a)經(jīng) 200、15 秒之重流后 (b)經(jīng)240 、 15秒 之 重 流 后 ，si/ti/al/ni

11、-cu-p/63sn-37pb 隆點之橫截1.00.80.60.40.20.00si/ti/al/ni-cu-p/63sn-37pbaging at 150oc5001000(aging time)1/2(s1/2)15002000面 sem 金相圖，由圖 4 可以發(fā)現(xiàn)位于無電鍍鎳銅磷鍍層和 63sn-37pb 焊錫界面之(ni,cu)3sn4化合物，經(jīng)時效熱處理后會形成一連續(xù)且致密之化合物層，由此可見在時效熱處理過程，無電鍍鎳銅磷鍍層中的鎳和銅原子會擴散并穿過(ni,cu)3sn4化合物層，然后和焊錫合金中的錫原子發(fā)生反應，使金屬間化合物繼續(xù)成長。圖 4 經(jīng) 150 、 100 小 時 之

12、熱 處 理 后 ，si/ti/al/ni-cu-p/63sn-37pb 隆點之橫截面 sem 金相圖由 于 (ni,cu)3sn4化 合 物 的 厚 度 不 均勻，因此本研究藉由無電鍍鎳銅磷鍍層之消耗量來計算金屬間化合物之成長動力學；由圖 5 之結果可知，在 150之時效熱處理時，無電鍍鎳銅磷鍍層消耗量與時效熱處理時間的平方根成正比，由此可知經(jīng)固相固相界面反應生成的(ni,cu)3sn4金屬間化合物之成長為擴散控制機構。4圖 5 在 150熱處理時，無電鍍鎳銅磷鍍層和 63sn-37pb 界面金屬間化合物之成長動力學四、計劃成果自評本研究在第一年度中已完成所提預計達成工作中之所有項目，其具體成

13、果為：了解以無電鍍鎳銅磷合金作為擴散障礙層，在不同重流條件、多次重流及時效熱處理后，焊錫與 ubm 材料之接口化學反應及元素擴散行為。五、參考文獻1j. h. lau and y. h. pao, solder joint reliability of bga, csp, flip chip, and fine pitch smt assemblies, mcgraw-hill, new york, usa, 1997, chap. 3.2c. h. zhong and s. yi, soldering surf. mount technol., 11(1999)44.3r. h. esser, a. dimoulas, n. strifas, a. christou,and n. papanicolau, microelectron. reliab.,38(1998)1307.4j. h. lau, handbook of fine pitch surface mount technology, van nostrand reinhold, new york, usa, 1994, chap. 3.5s