Cu/Sn界面固态扩散行为及Cu3Sn/Cu界面空洞的形成机制

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PCB(Printed Circuit Board)上电镀Cu焊盘与Sn基钎料所形成的接头在固态老化后，可以在Cu3Sn/Cu界面观察到空洞的出现，这种Cu3Sn/Cu界面空洞会降低接头在动态载荷作用下的力学性能，影响PCB电路板的板级跌落可靠性。对于Cu3Sn/Cu界面空洞的形成机制，多数观点将其归结于Kirkendall效应，但是，最新研究结果表明Cu3Sn/Cu界面空洞的形成机制还受其他一些因素影响。
　　Cu3Sn/Cu界面空洞问题涉及Cu/Sn基钎料界面固态反应，为了能更加深入地了解Cu3Sn/Cu界面空洞的形成过程，首先对Cu/Sn基钎料界面固态反应进行了原位定量研究。根据Cu3Sn/Cu界面空洞降低PCB电路板板级跌落可靠性的事实，预测这种Cu3Sn/Cu界面空洞必然会影响单个焊点在动态载荷作用下的力学行为。因此，对单个焊点在高速剪切载荷作用下的力学性能也进行了研究。进一步，通过对多种Cu3Sn/Cu界面空洞倾向不同的Cu基板的组织成分的对比分析，归纳总结导致Cu3Sn/Cu界面空洞形成及生长的关键因素，并采用动力学观点研究空洞的形成及生长过程，确定导致Cu3Sn/Cu界面空洞问题的机制。
　　在Cu/Sn3.0Ag0.5Cu(SAC305)接头界面处用纳米压痕点作为定量标记，原位定量研究了固态老化过程中各界面的移动以及金属间化合物的相互转化情况。通过对界面反应的原位定量研究，发现Kirkendall效应并不足以导致Cu3Sn/Cu界面空洞问题，在电镀Cu接头老化中存在其他一些物理过程对Cu3Sn/Cu界面空洞的形成及生长有着更重要的作用。
　　对电镀Cu焊盘和无氧Cu基板的Cu3Sn/Cu界面空洞倾向进行了研究，发现Cu3Sn/Cu界面空洞更易出现于电镀Cu焊盘的焊点中。制备了电镀Cu焊盘与SAC305和Sn37Pb两种钎料的BGA(Ball Grid Array)焊点，对焊点进行了静态剪切试验和动态剪切试验，对比分析了Cu3Sn/Cu界面空洞对焊点力学性能特别是高速剪切载荷下的断裂失效行为的影响。试验结果表明，Cu3Sn/Cu界面空洞并不会影响这两种焊点的静态剪切性能以及Cu/Sn37Pb焊点的高速剪切性能。但是Cu3Sn/Cu界面空洞会影响Cu/SAC305焊点在高速剪切载荷作用下的断裂模式，断裂多发生于空洞聚集的Cu3Sn/Cu界面及附近的Cu3Sn层中。
　　通过对电镀Cu焊盘和无氧Cu基板Cu3Sn/Cu界面空洞的观察以及对两种Cu基板组织及成分的分析，发现Kirkendall效应并不是导致Cu3Sn/Cu界面空洞的唯一因素，Cu基板的晶粒尺寸对Cu3Sn/Cu界面空洞有着重要作用。为了进一步验证晶粒尺寸对Cu3Sn/Cu界面空洞的影响，设计制备了磁控溅射Cu基板，并和高纯无氧Cu基板和单晶Cu基板对比，确定了晶粒尺寸确实对Cu3Sn/Cu界面空洞有着重要作用。细小的晶粒尺寸可以增加有效空位(EV,Effective Vacancy)密度并且固态老化过程中晶界能减少所释放的能量将为Cu3Sn/Cu界面空洞的形成提供除Kirkendall效应之外另一种驱动力，从动力学角度解释了晶粒尺寸影响Cu3Sn/Cu界面空洞的原因。Cu3Sn/Cu界面空洞的形成过程是一个动力学过程，包括空位的形核及生长两个阶段，其中空位的形核方式又可以分为均匀形核与非均匀形核。利用磁控溅射Cu基板研究了空位的均匀形核过程，发现均匀形核过程不需要非均匀形核质点，但均匀形核需要的形核能较高，形核较为困难，所导致的Cu3Sn/Cu界面空洞倾向较弱。利用含有添加剂和不含添加剂的镀液制备的电镀Cu焊盘以及焦磷酸盐镀铜液制备的Cu焊盘研究了添加剂残留及电镀缺陷等非均匀形核质点对空位非均匀形核的影响，发现非均匀形核质点可以降低空位的形核能，致使电镀Cu焊盘呈现严重的Cu3Sn/Cu界面空洞倾向。最后，利用高能离子注入方法制备了含有杂质元素P及注入缺陷的高纯无氧Cu基板试样，确认了在Cu3Sn/Cu界面存在Kirkendall效应和非均匀形核质点，而没有晶粒尺寸(有效空位)这个影响因素时，并不能导致Cu3Sn/Cu界面空洞，晶粒尺寸对Cu3Sn/Cu界面空位的均匀形核与非均匀形核均有重要影响。
　　根据Cu3Sn/Cu界面空洞形成机理的研究结果，提出了两种消除或抑制电镀Cu焊盘Cu3Sn/Cu界面空洞问题的有效方法。一种是对电镀Cu焊盘进行低温的长期固态老化处理，通过增大Cu焊盘的晶粒尺寸来抑制Cu3Sn/Cu界面空洞形成的驱动力，消除或抑制Cu3Sn/Cu界面空洞。另一种是对电镀Cu焊盘进行快速退火处理，快速退火处理一方面可以增大Cu焊盘的晶粒尺寸，另一方面可以使残留在电镀Cu焊盘中的电镀添加剂挥发，同时使添加剂与Cu基体化合，失去作为空位非均匀形核质点的作用，消除或抑制Cu3Sn/Cu界面空洞。

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作者
李海龙;
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作者单位

哈尔滨工业大学;

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授予单位哈尔滨工业大学;
学科材料加工工程
授予学位博士
导师姓名王春青;
年度 2015
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类印刷电路;制造工艺;
关键词
印刷线路板; 电镀工艺; 铜焊盘; 锡基钎料; 固态扩散; 空洞现象;

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