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：NSC 902216E006044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Preparation of NSC Project Reports计划编号：NSC 90-2216-E-006-044执行期限：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 63Sn-37Pb 界面会生成细晶、须晶和多边形晶等三种不同形态之(Ni,Cu)3Sn4金属间化合物，而且(Ni,Cu)3Sn4化合物之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(Ni,Cu)3Sn4化合物在反复重流过程会脱离无电镀镍铜磷镀层，并散布于 63Sn-37Pb中，而重流温度超过 Cu-Ni-Sn 三元共晶点（约 227231）时，无电镀镍铜磷镀层和熔融 63Sn-37Pb 之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AbstractThe amorphous Ni-Cu-P deposit is applied as the diffusion barrier layer of the bump structure in the study. 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 temperature, 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 forms after long-time reflow.Keywords: amorphous, electroless deposition,Ni-Cu-P, solder bump二、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1-3，因为此界 面 反 应 常 造 成 金 属 间 化 合 物(Intermetallic compound)之生成，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(Dewetting)现象的发生4-5，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63Sn-37Pb 焊锡界面会生成三种不同形态(Morphology)的金属间化合物，如图 1 所示，其中一厚度约 200 nm 且为细晶形态（Layer F）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(Whisker)（Layer W）和多边形晶 (Polygonal grain)（Layer P）形态之金属间化合物。图 1 经 220 、 15 秒 之 重 流 后 ，Si/Ti/Al/Ni-Cu-P/63Sn-37Pb 隆点之横截面 SEM 金相图图2为 不 同 重 流 次 数 的Si/Ti/Al/Ni-Cu-P/63Sn-37Pb 隆点之横截面金相图，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 63Sn-37Pb 焊锡发生反应，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Si/Ti/Al/Ni-Cu-P/63Sn-37Pb 隆点之横截面 SEM 金相图，(a)三次(b)十次重流图3(a) 和3(b) 分 别 为Si/Ti/Al/Ni-Cu-P/63Sn-37Pb 隆点经 200、15 秒和 240、15 秒之重流处理后，无电镀镍铜磷镀层和 63Sn-37Pb 焊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63Sn-37Pb 焊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 63Sn-37Pb 焊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 ，Si/Ti/Al/Ni-Cu-P/63Sn-37Pb 隆点之横截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 金相图，由图 4 可以发现位于无电镀镍铜磷镀层和 63Sn-37Pb 焊锡界面之(Ni,Cu)3Sn4化合物，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(Ni,Cu)3Sn4化合物层，然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 ，Si/Ti/Al/Ni-Cu-P/63Sn-37Pb 隆点之横截面 SEM 金相图由 于 (Ni,Cu)3Sn4化 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(Ni,Cu)3Sn4金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 63Sn-37Pb 界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 UBM 材料之接口化学反应及元素扩散行为。五、参考文献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. Y. Jang and K. W. Paik, Soldering Surf. Mount Technol., 10(1998)29.6Phase Diagrams of Ternary Nickel Alloys, Part 1, Indian Institute of Metals, Calcutta, (1990)202. C on su m pt io n of N i- C u- P de po si t( m )