Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Hình thành lỗ rỗng và cơ chế phát triển Cu3Sn trong hệ Cu/Cu3Sn/Cu6Sn5 dưới không khí trong mối hàn Cu/SnAg cho đóng gói vi điện tử
Tóm tắt
Những tiến bộ công nghệ đạt được ngày nay trong các thiết bị bán dẫn và các ứng dụng của chúng đã gia tăng thách thức về mật độ công suất. Việc giới thiệu các hồ sơ nhiệm vụ mới và nhiệt độ cao đã khiến việc đóng gói mạch tích hợp đạt đến giới hạn và phát sinh những vấn đề độ tin cậy mới mà trước đây không tồn tại ở các thiết bị thế hệ trước. Để ứng phó với những vấn đề mật độ công suất tăng lên, kỹ thuật liên kết pha lỏng tạm thời (TLPB), bao gồm việc chuyển đổi các kim loại hoặc hợp kim nguyên chất thành các hợp chất liên kim loại (IMCs) có độ ổn định nhiệt cao, hiện đang là một trong những kỹ thuật được nghiên cứu nhiều nhất hiện nay. Nguyên tắc tương tự cũng được áp dụng để tăng cường độ ổn định nhiệt của một hệ thống bằng kỹ thuật phản ứng trạng thái rắn (SSR). Công trình hiện tại tập trung vào các phản ứng trạng thái rắn xảy ra trong quá trình chuyển đổi, dưới môi trường không khí, hệ thống Cu/Cu3Sn/Cu6Sn5/Cu3Sn/Cu ban đầu thành hệ thống Cu/Cu3Sn/Cu cuối cùng với độ ổn định nhiệt cao hơn nhiều. Các thí nghiệm được thực hiện trên các liên kết sử dụng công nghệ cột Cu và hợp kim hàn SnAg. Các bump Cu và Sn-2 wt%Ag có kích thước 90 × 90 µm2 đã được lắng đọng bằng phương pháp lắng đọng điện hóa với độ dày lần lượt là 20 µm và 15 µm. Trong bước đầu, hệ thống ban đầu được tạo ra bằng cách sử dụng quy trình TLPB trong hệ Cu/Chất lỏng Sn/Cu được thực hiện dưới không khí ở 250 °C. Sau đó, quy trình SSR đẳng nhiệt trong hệ Cu/Cu3Sn/Cu6Sn5/Cu3Sn/Cu được nghiên cứu ở 250 °C dưới không khí trong thời gian giữ từ 1 đến 124 giờ. Sau các thí nghiệm, mặt cắt ngang của các mẫu được phân tích bằng kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử quét. Động học phát triển của hợp chất Cu3Sn đã được nghiên cứu cho các mẫu với hai độ dày ban đầu của hợp kim Sn-Ag: 15 và 30 µm. Đã quan sát thấy một độ dày quan trọng của lớp Cu3Sn trên mức đó sự thay đổi mạnh mẽ trong động học phát triển của nó xảy ra. Hiện tượng này đi kèm với sự thay đổi đáng kể trong cấu trúc vi mô của mối hàn. Một cấu trúc vi mô hình hòn đảo của Cu3Sn bên trong Cu đã được quan sát, đi kèm với sự hình thành các lớp oxit Cu. Các cơ chế phát triển của pha Cu3Sn chịu trách nhiệm cho các cấu trúc vi mô quan sát được khác nhau đã được trình bày và thảo luận.
Từ khóa
#Cu3Sn #TLPB #SSR #mối hàn #điện tử #đóng gói vi điện tử #hợp chất liên kim loại #động học phát triển #cấu trúc vi môTài liệu tham khảo
K.E. Aasmundtveit, T.A. Tollefsen, T.-T. Luu, A. Duan, K. Wang, N. Hoivik, Solid-Liquid Interdiffusion (SLID) bonding—intermetallic bonding for high temperature applications (2013)
J.S. Kang, R.A. Gagliano, G. Ghosh, M.E. Fine, Isothermal solidification of Cu/Sn diffusion couples to form thin-solder joints. J. Electron. Mater. 31(11), 1238–1243 (2002). https://doi.org/10.1007/s11664-002-0015-9
L. Sun, M. Chen, L. Zhang, Microstructure evolution and grain orientation of IMC in Cu-Sn TLP bonding solder joints. J. Alloys Compd. 786, 677–687 (2019). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.01.384
J.F. Li, P.A. Agyakwa, C.M. Johnson, Interfacial reaction in Cu/Sn/Cu system during the transient liquid phase soldering process. Acta Mater. 59(3), 1198–1211 (2011). https://doi.org/10.1016/j.actamat.2010.10.053
Y. Li, Z. Chu, X. Li, Y. Pan, T. Yamaguchi, W. Wang, Swirl-like Cu-Sn phase formation and the effects on the ultrasonic spot welded joint of Sn-coated Cu plates. J. Mater. Process. Technol. 288, 116911 (2021). https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2020.116911
F. Brem, C. Liu, and D. Raik, Influence of Cu joining partner in transient liquid phase bonding, in 2012 4th Electronic System-Integration Technology Conference, 2012, pp. 1–5. https://doi.org/10.1109/ESTC.2012.6542135.
C. Flötgen, M. Pawlak, E. Pabo, H.J. van de Wiel, G.R. Hayes, V. Dragoi, Wafer bonding using Cu–Sn intermetallic bonding layers. Microsyst. Technol. 20(4), 653–662 (2014). https://doi.org/10.1007/s00542-013-2002-x
S. Bordère, E. Feuillet, J.-L. Diot, R. de Langlade, J.-F. Silvain, Understanding of void formation in Cu/Sn-Sn/Cu system during transient liquid phase bonding process through diffusion modeling. Metall. Mater. Trans. B 49(6), 3343–3356 (2018). https://doi.org/10.1007/s11663-018-1391-8
E.M. Barik, C. Gillot, F. Hodaj, Optimization of soldering experiments for power devices interconnection and packaging, in 2020 IEEE 8th Electronics System-Integration Technology Conference (ESTC), 2020, pp. 1–7. https://doi.org/10.1109/ESTC48849.2020.9229817.
E.M. Barik, C. Gillot, F. Hodaj, Bubble formation and growth during transient liquid phase bonding in Cu/SnAg system for microelectronic packaging. J. Mater. Sci. Mater. Electron. 33(5), 2360–2374 (2022). https://doi.org/10.1007/s10854-021-07435-8
O.M. Abdelhadi, L. Ladani, IMC growth of Sn-3.5Ag/Cu system: combined chemical reaction and diffusion mechanisms. J. Alloys Compd. 537, 87–99 (2012). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.04.068
L. Mo, F. Wu, C. Liu, Growth kinetics of IMCs in Cu-Sn intermetallic joints during isothermal soldering process, in 2015 IEEE 65th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), 2015, pp. 1854–1858. https://doi.org/10.1109/ECTC.2015.7159852.
I. Panchenko, K. Croes, I. De Wolf, J. De Messemaeker, E. Beyne, K.-J. Wolter, Degradation of Cu6Sn5 intermetallic compound by pore formation in solid–liquid interdiffusion Cu/Sn microbump interconnects. Microelectron. Eng. 117, 26–34 (2014). https://doi.org/10.1016/j.mee.2013.12.003
A.M. Gusak, C. Chen, K.N. Tu, Flux-driven cellular precipitation in open system to form porous Cu3Sn. Philos. Mag. 96(13), 1318–1331 (2016)
C. Chen, D. Yu, K.-N. Chen, Vertical interconnects of microbumps in 3D integration. MRS Bull. 40(3), 257–263 (2015). https://doi.org/10.1557/mrs.2015.29
R.A. Gagliano, M.E. Fine, Thickening kinetics of interfacial Cu6Sn5 and Cu3Sn layers during reaction of liquid tin with solid copper. J. Electron. Mater. 32(12), 1441–1447 (2003). https://doi.org/10.1007/s11664-003-0113-3
J. Wang, J. Chen, L. Zhang, Z. Zhang, Y. Han, X. Hu, H. Lu, S. Zhang, Forming mechanism and growth of Kirkendall voids of Sn/Cu joints for electronic packaging: a recent review. J. Adv. Join. Process. 6, 100125 (2022). https://doi.org/10.1016/j.jajp.2022.100125
M. Onishi, H. Fujibuchi, Reaction-diffusion in the Cu–Sn system. Trans. Jpn. Inst. Met. 16(9), 539–547 (1975). https://doi.org/10.2320/matertrans1960.16.539
H. Huebner, S. Penka, B. Barchmann, M. Eigner, W. Gruber, M. Nobis, S. Janka, G. Kristen, M. Schneegans, Microcontacts with sub-30μm pitch for 3D chip-on-chip integration. Microelectron. Eng. 83(11), 2155–2162 (2006). https://doi.org/10.1016/j.mee.2006.09.026
J. Görlich, G. Schmitz, K.N. Tu, On the mechanism of the binary Cu/Sn solder reaction. Appl. Phys. Lett. 86(5), 053106 (2005). https://doi.org/10.1063/1.1852724
O.Y. Liashenko, F. Hodaj, Differences in the interfacial reaction between Cu substrate and metastable supercooled liquid Sn–Cu solder or solid Sn–Cu solder at 222°C: experimental results versus theoretical model calculations. Acta Mater. 99, 106–118 (2015). https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.07.066
A.M. Gusak, T.V. Zaporozhets, Y.O. Lyashenko, S.V. Kornienko, M.O. Pasichnyy, A.S. Shirinyan, Diffusion-controlled Solid State Reactions: In Alloys, Thin Films and Nanosystems (Wiley, Hoboken, 2010)
A. Paul, C. Ghosh, W.J. Boettinger, Diffusion parameters and growth mechanism of phases in the Cu-Sn system. Metall. Mater. Trans. A 42(4), 952–963 (2011). https://doi.org/10.1007/s11661-010-0592-9
S. Kumar, C.A. Handwerker, M.A. Dayananda, Intrinsic and interdiffusion in Cu-Sn system. J. Phase Equilib. Diffus. 32(4), 309–319 (2011). https://doi.org/10.1007/s11669-011-9907-9
V.A. Baheti, S. Kashyap, P. Kumar, K. Chattopadhyay, A. Paul, Bifurcation of the Kirkendall marker plane and the role of Ni and other impurities on the growth of Kirkendall voids in the Cu–Sn system. Acta Mater. 131, 260–270 (2017). https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.03.068