00128-铜芯片覆晶接合焊锡隆点及其可靠度分析之研究

行政院国家科学委员会补助专题研究计划成果报告 铜芯片覆晶接合焊锡隆点及其可靠度分析之研究 计划类别： 个别型计划 整合型计划 计划编号： 0 2216 e 006 044 执行期间： 89 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 计划主持人： 林光隆 共同主持人： 本成果报告包括以下应缴交之附件： 赴国外出差或研习心得报告一份 赴大陆地区出差或研习心得报告一份 出席国际学术会议心得报告及发表之论文各一份 国际合作研究计划国外研究报告书一份 执行单位：国立成功大学材料科学及工程学系 中 华 民 国 90 年 10 月 30 日 1 行政院国家科学委员会专题研究计划成果报告 国科会专题研究计划成果报告撰写格式说明 划编号： 0行期限： 89 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日 主持人：林光隆 国立成功大学材料科学及工程学系 共同主持人： 计划参与人员：刘业绣 林建泰 尤志豪 侯振祺 国立成功大学材料科学及工程学系 一、中文摘要 本研究将非晶质无电镀镍铜磷镀层应 用于焊锡隆点结构之扩散障碍层。焊锡隆 点经 220 、 15 秒重流后，无电镀镍铜磷 镀层和 63面会生成细晶、须晶 和多边形晶等三种不同形态之 (u)3属间 化合物，而且 (u)3表面形态会随重流次数、重流温度和重流 时 间 改 变 ； 须 晶 和 多 边 形 晶 形 态 之 (u)3无电镀镍铜磷镀层，并散布于 63，而重流温度超过 元共晶点 （约 227231 ）时，无电镀镍铜磷镀层和 熔融 63反应速率会急遽增加， 且长时间重流会使金属间化合物层变为连 续层。 关键词 ：非晶质、无电镀镍铜磷、焊锡隆 点 in 3 (u)3 320 5 s. (u)3 2 63 (u)3 227231 . a 、缘由与目的 焊锡隆点之可靠度除了受焊锡合金材 料性质之影响外，更和隆点底层金属与焊 锡合金之界面反应息息相关 1因为此 界 面 反 应 常 造 成 金 属 间 化 合 物 (生成，而金 属间化合物的生成厚度 会直接影响焊锡隆 点之润湿性、结合强度和可靠度等性质。 然而过量脆性金属间化合物的生成则会降 低焊锡隆点之结合强度、抗疲劳强度和可 靠度等，而且大量的润湿层金属溶入熔融 焊锡中还可能导致去润湿 ( 象的发生 4因此如何准确地控制隆点 底层金属与焊锡合金界面金属间化合物之 成长将决定焊锡隆点材料性质之优劣。 本研究之目的是将研究中所制作之无 电镀镍铜磷镀层应用在实际的焊锡隆点结 构中，分别探讨在焊锡重流与时效热处理 时，无电镀镍铜磷镀层与铅锡焊锡合金间 之界面反应，并分析金属间化合 物在固相 液相和固相 固相界面反应之成长行 为，以了解无电镀镍铜磷镀层作为扩散障 碍层之效果。 三、结果与讨论 本研究结果显示隆点经 220 、 15 秒 之 重 流 处 理 后 ， 无 电 镀 镍 铜 磷 镀 层 和 63锡界面会生成三种不同形态 (金属间化合物，如图 1 所 示，其中一厚度约 200 为细晶形态 （ ）之金属间化合物层紧邻无电镀 镍铜磷镀层，而位于细晶金属间化合物层 上方的分别为须晶 ( ） 和多边形晶 ( ） 形态之金属间化合物。 图 1 经 220 、 15 秒 之 重 流 后 ， i/3点之横截 面 相图 图 2 为 不 同 重 流 次 数 的 i/3点之横截 面金相图，每次重流的温度为 220 ，时间 为 15 秒，随着重流次数增加，无电镀镍铜 磷镀层厚度变薄，且多边形晶之金属间化 合物生 成量也愈多，可见在反复重流过程 无电镀镍铜磷镀层会持续和 63 锡发生反应，紧邻无电镀镍铜磷镀层之细 晶金属间化合物的厚度会随重流次数增加 而增加，须晶在后续反复重流过程会逐渐 消失，而多边形晶则持续长大。 (a) 3 (b) 图 2 不 同 重 流 次 数 的 i/3点之横截 面 相图， (a)三次 (b)十次重流 图 3(a) 和 3(b) 分 别 为 i/3点经 200 、 15 秒和 240 、 15 秒之重流处理后， 无电镀镍铜磷镀层和 63锡界面 之横截面金相图，可以发现金属间化合物 之表面形态随重流温度增加发生明显变 化。重流温度为 240 时须晶变得非常少， 大多生成多边形晶，而且金属间化合物的 晶粒也较大，其原因可能是因为铜镍 锡三元系统在 227 和 231 间有一共晶反 应 6，因此当重流温度高于此共晶温度 时，在焊锡重流时镍和铜原子溶入熔融 63锡的速率会急 遽增加，因而加 速金属间化合物之成长。因此当重流温度 高于此共晶温度时，在焊锡重流时镍和铜 原子溶入熔融 63锡的速率会急 遽增加，因而加速金属间化合物之成长。 (a) (b) 图 3 (a)经 200 、 15 秒之重流后 (b)经 240 、 15 秒 之 重 流 后 ， i/3点之横截 i/35000 1000 () 1500 2000 面 相图， 由图 4 可以发现位于无电镀镍铜磷镀 层和 63锡界面之 (u)3合物，经时效热处理后会形成一连续且致 密之化合物层，由此可见在时效热处理过 程，无电镀镍铜磷镀层中的镍和铜原子会 扩散并穿过 (u)3后和 焊锡合金中的锡原子发生反应，使金属间 化合物继续成长。 图 4 经 150 、 100 小 时 之 热 处 理 后 ， i/3点之横截 面 相图 由 于 (u)3合 物 的 厚 度 不 均 匀，因此本研究藉由无电镀镍铜磷镀层之 消耗量来计算金属间化合物之成长动力 学；由图 5 之结果可知，在 150 之时效热 处理时，无电镀镍铜磷镀层消耗量与时效 热处理时间的平方根成正比，由此可知经 固相 固相界面反应生成的 (u)3属间化合物之成长为扩散控制机构。 4 图 5 在 150 热处理时，无电镀镍铜磷镀层 和 63面金属间化合物之成长动 力学 四、计划成果自评 本研究在第一年度中已完成所提预计 达成工作中之所有项目，其具体成果为： 了解以 无电镀镍铜磷合金作为扩散障碍 层，在不同重流条件、多次重流及时效热 处理后，焊锡与 料之接口化学反应 及元素扩散行为。 五、参考文献 1 j. h. .