Ni-Sn-Ni焊点界面金属间化合物的微观形貌演变研究

赵志豪 李五岳 李国俊 田野

摘 要：【目的】研究Ni-Sn-Ni微焊点在固液反应条件下界面金属间化合物（Intermetallic Compounds，IMCs）的生长及形貌变化。【方法】采用精密夹具调控的Ni-Sn（20 μm）-Ni作为样品，通过SEM观察等温条件下Ni-Sn-Ni不同时间点横截面的微观组织结构，并通过EDX对界面处生成的IMCs进行分析。【结果】在Ni-Sn反应的界面处仅生成一种单相IMCs，为Ni3Sn4，该界面IMCs的生长速度由快变慢最后趋于平缓。此外，界面IMCs的形貌随时间由针状转变为棒状后再转变为块状。【结论】在Ni-Sn固液反应中，界面IMCs的生长速度及形貌随键合时间的增加发生显著变化。

关键词：Ni-Sn-Ni微焊点；界面反应；金属间化合物

中图分类号：TG454         文献标志码：A        文章编号：1003-5168（2023）10-0088-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.018

Abstract： [Purposes] In this paper， the growth and morphology changes of interfacial intermetallic compounds （IMCs） in Ni-Sn-Ni micro-solder joints under solid-liquid reaction conditions were studied. [Methods] In this experiment， Ni-Sn （20 μm）-Ni regulated by precision fixtures were used as the sample， the microstructure of the cross-section of Ni-Sn-Ni at different time points under isothermal conditions was observed by SEM， and the IMCs generated at the interface were analyzed by EDX. [Findings] Only a single-phase IMCs Ni3Sn4 was formed at the interface of Ni-Sn reaction， and the growthrate of IMCs at the interface changed from fast to slow and finally flattened. In addition， the morphology of interfacial IMCs changes from needle-like to rod-like and then to bulk-like with time. [Conclusions] During the Ni-Sn solid-liquid reaction， the growth rate and morphology of interfacial IMCs changed significantly with the increase in bonding time.

Keywords： Ni-Sn-Ni micro-solder joints; interface reaction; intermetallic compound

0 引言

物聯网、大数据及5G等技术的快速发展要求芯片性能更高、尺寸更小、可靠性更好。而二维封装已经不能满足芯片未来发展的需求［1］。基于硅通孔技术的三维封装技术因具有高集成度、低功耗和高运行速率，将成为未来发展的主流方向［2-3］。

在三维封装中，随着芯片不断向多功能化、微小化的方向发展，导致微焊点的尺寸不断减小。而微焊点尺寸的减小将直接导致微焊点中金属间化合物（Intermetallic Compounds，IMCs）的比例显著增加，进而使IMCs的性能成为影响微焊点性能的决定性因素之一。影响IMCs性能的因素主要有IMCs的材料、IMCs的生长等［4］。Ni通常作为焊盘中的扩散阻挡层，所以在Sn钎料微焊点中常出现Ni-Sn-Ni微互连结构［5］。因此，研究Ni-Sn-Ni焊点界面IMCs的微观形貌演变具有重要意义。

目前Wang等［6］研究了在280 ℃的键合温度下Ni-Sn-Ni焊点在不同互连高度下的微观形貌，发现其微观形貌主要由针状及块状两种IMCs。华中科技大学的王波等［7］研究了不同互连高度下Cu-Sn-Cu微焊点的微观组织变化，发现焊点互连高度越低，IMCs生长速度和IMCs比例升高得越快。而关于研究Ni-Sn-Ni微互连结构的相关文献较少，因此有必要研究Ni-Sn-Ni焊点在互连高度为20 μm下的生长演变过程，进而为倒装芯片的电子封装提供更多的理论依据。

本研究通过在等温条件（265 ℃）下不同时间节点（7 min、21 min、50 min和87 min）的Ni-Sn（20 μm）-Ni微焊点的横截面SEM，研究了Ni-Sn-Ni结构中IMCs的厚度及微观形貌，进而得出Ni-Sn-Ni微焊点界面金属间化合物微观形貌的演变情况。

1 试验过程及方法

试验所用材料为N6级镍棒（纯度99.9%，长度17 mm，直径1 mm），钎料为Sn片（纯度99.9%，规格10 mm×10 mm×0.03 mm）。使用自制的精密夹具将镍棒的抛光端面对齐并固定，在Sn片上涂抹助焊剂后夹持在两根镍棒的中间。随后旋转夹具旋钮控制其互连高度为20 μm。

将制备好的Ni-Sn（20 μm）-Ni微互连结构放进回流炉内回流，在Sn片熔化30 s后取出，使用冷风枪迅速冷却至室温，得到互连高度为20 μm的初始回流样。随后将制备好的初始回流样放置在预热平台上分别恒温7 min、21 min、50 min及87 min后取下，用冷水冷却至室温。

将冷却至室温的不同时间节点的样品镶嵌进环氧树脂中，先使用砂纸磨削，之后依次使用悬浮颗粒为1 μm、0.3 μm、0.05 μm的氧化铝抛光液进行抛光。在抛光后使用自制腐蚀液（盐酸体积分数为1%的盐酸乙醇溶液）对样品横截面进行腐蚀，腐蚀时间为5 s。最后采用德国Zeiss公司的Sigma-500型号的扫描电子显微镜对微焊点的微观形貌进行表征，再采用ImageJ对SEM图进行测量。

2 试验结果与讨论

2.1 回流过程中Ni-Sn-Ni微焊点的微观组织结构

经过回流工艺后Ni-Sn（20 μm）-Ni初始焊点在SEM下的微观形貌如图1所示。由图1可以看出，在Ni-Sn界面处的IMCs呈棒状和小块状连续均匀分布，通过ImageJ软件测量后可得Ni-Sn界面两侧IMCs平均厚度分别为0.40 μm和0.42 μm，可以看出Ni-Sn（20 μm）-Ni经过初始回流后在微焊点两侧界面处生成的IMCs非常小，对后续等温试验中IMCs的生长几乎不产生影响。

Ni-Sn界面生成的IMCs的EDX曲线如图2所示。由图2可以看出，Ni与Sn的原子比接近3∶4。Ni-Sn二元相如图3所示，由图3可知界面处IMCs为Ni3Sn4。本试验为缩减实际键合时间与理论键合时间之间的差值，在冷却阶段使用冷风枪对样品进行快速冷却，这样有效避免从预热平台上取下后夹具还具备一定的温度，不会导致Ni-Sn反应继续进行。

2.2 等温时效过程Ni-Sn-Ni微焊点的微观组织结构演变

Ni-Sn-Ni微互连在不同等温时间下横截面的SEM如图4所示。反应时间为7 min时的微观形貌如图4（a）所示，由图4（a）可以看出，在微焊点的两侧形成一层薄薄的IMCs，并且IMCs的形貌大多为针状。反应时间为21 min时的微观形貌如图4（b）所示，由图4（b）可以看出，此时IMCs的厚度远大于7 min时IMCs的厚度，此时IMCs的形貌大多为细棒状，少量的IMCs为小块状。反应时间为50 min时的微观形貌如图4（c）所示，由图4（c）可以看出，此时IMCs的厚度大于21 min时IMCs的厚度，此时IMCs的形貌大多为粗棒状，并且已经出现较大的块状IMCs。反应时间为87 min时的微观形貌如图4（d）所示，由图4（d）可以看出，此时IMCs的厚度大于50 min时IMCs的厚度，此时IMCs的形貌大多为块状，仅有少量为棒状IMCs，并且焊缝两侧部分区域的IMCs连接形成一个IMCs。

Ni-Sn-Ni微互连结构中IMCs的平均厚度与时间的曲线如图5所示。由图5可以看出，IMCs的厚度在21 min前增加十分迅速，在21 min后IMCs的厚度增加逐渐变缓。

IMCs的厚度增速变化是由于Ni原子进入Sn钎料中的难度不断增加。首先，当焊缝处的温度达到Sn钎料的熔点时，Sn钎料由固态转变为液态。由于在Ni-Sn边界处存在大量的Ni原子，而在Sn钎料内部却没有Ni原子存在，因此在Sn钎料中产生Ni原子的浓度差。浓度差的存在导致Ni原子不断向液态Sn钎料中扩散，而在界面处由于存在大量的Ni原子与Sn原子，会快速达到过饱和浓度，进而在界面处快速反应生成IMCs。然后，在反应时间为7 min时，IMCs层的底部形成闭合区域，形成Ni-Ni3Sn4-Sn-Ni3Sn4-Ni结构，在Ni原子进入Sn钎料的路径中增加了薄薄的IMCs层，这导致IMCs厚度的增加速度略微下降。最后，随着反应的进行，IMCs层底部的闭合区域不断增厚，这也就導致 IMCs厚度的增加速度不断下降。

综上所述，在Ni-Sn反应中主要出现了针状、棒状及块状三种形貌的IMCs。在反应前期，IMCs生长速度较快并形成以针状IMCs占据主导的薄IMCs层。随着反应时间的增加，针状的IMCs逐渐变粗形成细棒状IMCs，并在IMCs底端形成闭合区域，使Ni原子进入熔融Sn钎料中的难度增加，导致反应速率下降。在反应后期，IMCs层中的部分棒状转变为块状，出现了直接连接两侧Ni焊盘的大块IMCs。

Ni-Sn-Ni焊点的固-液界面反应的IMCs生长速度比Cu-Sn-Cu焊点更慢，因此可以在芯片服役过程中保持可靠更长时间。此外，Ni-Sn-Ni焊点在键合温度为265 ℃下界面反应生成的相是单一的Ni3Sn4相，而Cu-Sn-Cu界面反应容易产生相界裂纹的Cu6Sn5和Cu3Sn双相。因此，Ni-Sn（20 μm）-Ni微焊点在长期高温服役的电子元件中比Cu-Sn制备的微焊点具有更长的服役时间和更高的可靠性。

3 结论

通过在265 ℃不同固-液界面反应时间下制备样品，研究Ni-Sn-Ni微互连结构在等温条件下的微观形貌演变，可以得出以下结论：①Ni-Sn反应生成的IMCs层厚度随反应时间的增加而增加；②Ni-Sn反应前期速度较快，在底层IMCs闭合后反应速度逐渐放缓；③Ni-Sn反应生成的IMCs形貌演变由前期的细针状逐步转变为中期的细棒状再到最后的块状；④当反应结束后，两侧的Ni焊盘由Ni3Sn4连接，此时微焊点的力学性能主要由Ni3Sn4的力学性能决定。

参考文献：

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［2］贾东生，李海柱，马玉琳，等.基于有限元模拟的微铜柱互连点热失效分析［J］.河南科技，2022，41（5）：41-44.

［3］冉红雷，彭浩，黄杰.三维封装微系统中TSV技术研究［J］.电子质量，2018（12）：111-115.

［4］丁超.金属间化合物的力学性能及各向异性与形貌对微焊点拉伸力学行为的影响［D］.桂林：桂林电子科技大学，2022.

［5］方恒.温度梯度辅助全IMCs微互连点制备及显微组织研究［D］.郑州：河南工业大学，2020.

［6］WANG C H，LIU J L. Effects of Sn thickness on morphology and evolution of Ni3Sn4 grains formed between molten Sn and Ni substrate［J］. Intermetallics，2015，61：9-15.

［7］王波，莫丽萍，吴丰顺，等.微小互连高度下的电子封装焊点微观组织［J］.焊接学报，2011，32（12）：25-28，114.

收稿日期：2023-02-06

作者简介：赵志豪（1997—），男，硕士生，研究方向：微互连工艺及可靠性。

通信作者：田野（1981—），男，博士，教授，研究方向：集成电路系统集成。