摘 要

随着Sn-Pb钎料在电子器件内的禁用，大量无铅Sn基钎料投入使用，Cu基板和Sn元素扩散反应生成大量脆性金属间化合物（IMC），导致电子器件失效等可靠性问题，成为研究者们关注的重点。传统解决方法是在基板与焊点间增加Ni-P凸点下金属阻挡层（UBM），但研究发现，Ni-P UBM长时间工作下会失效，亟需新型UBM来替代。本文通过化学镀的方法制备Ni-W-P镀层和Ni-P镀层，观察两种镀层形貌，并对两种镀层做回流实验及高温老化试验，通过X射线能谱仪（EDS）确认Ni-W-P/Sn-Ag-Cu层间化合物成份，并通过SEM观察两种镀层层间化合物的生成程度和速率，从而对Ni-W-P镀层的阻挡性能进行确定。研究结果表明：通过与传统Ni-P镀层的比较，得出Ni-W-P镀层作为阻挡层适合在长时间较高温度的环境下工作，有着良好的阻挡性能。

关键词：Ni-W-P镀层；金属阻挡层；金属间化合物；扩散生长

Abstract

With the prohibition of Sn-Pb solder, a large number of lead-free solder has been used in our life. Reliability problems that the substrate and the solder elements spread to the solder joint become the focus of the researchers. The traditional solution is to add the Ni-P UBM between the substrate and the solder joint.According to the study,however,it found that Ni-P UBM（Under Bump Metallization） layer will fail after a long time working. In this paper, a new type of Ni-W-P UBM is studied, and the Ni-P UBM is used as a comparative experiment. Ni-W-P coating and Ni-P coating were prepared by electroless plating. The morphology of the two coatings was observed. The two kinds of coatings were subjected to reflow with the Sn-Ag-Cu solder and the aging test. The Ni-W-P / Sn-Ag-Cu intermetallic compounds was identified by EDS.The formation degree and rate of the two kinds of inter-layer compounds were observed by SEM, and the barrier properties of Ni-W-P UBM were determined.

The result shows that Ni-W-P UBM has good barrier properties and is suitable as a barrier layer in the environment with high temperature for a long time.

Key Words：Ni-W-P coating; metal barrier; intermetallic compound; diffusion growth

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 传统Ni-P阻挡层的现状及问题 2

1.3 含Ni-W-P三元合金的国内外研究现状及本课题研究方向 3

1.3.1 国内外研究现状 3

1.3.2 本课题研究方向 3

1.4 相关实验原理介绍 3

1.4.1 Ni-W-P和Ni-P化学镀 3

1.4.2回流焊原理 4

1.4.3高温老化 4

1.5 本文研究的主要目的和内容 5

1.5.1 目的 5

1.5.2 内容 5

第2章 试验方法 6

2.1实验试剂及仪器 6

2.1.1实验中所用主要试剂 6

2.1.2实验仪器所用的主要仪器 7

2.2 镀层制备实验流程图 8

2.3前处理 8

2.4 Ni-W-P和Ni-P镀层的制备 9

2.5 Ni-W-P和Ni-P镀层与无铅焊料形成焊点 10

2.6样品老化 10

2.7无铅焊点的表征 10

第3章 实验结果与讨论 12

3.1 Ni-P和Ni-W-P镀层表征 12

3.2回流后界面微观结构 12

3.2.1 Ni-P镀层回流后界面微观结构 12

3.2.2 Ni-W-P镀层回流后界面微观结构 15

3.3 Ni-P焊点的微观结构演变 20

3.4 Ni-W-P焊点的微观结构演变 22

3.5两种不同焊点的IMC厚度比较 24

第4章 结论与展望 27

参考文献 28

致 谢 29

第1章 绪论

1.1 课题背景

电子封装以膜技术、微互联技术、基板技术等为基础，为芯片提供机械支撑、保护和电热连接，并逐渐融入到系统集成技术和芯片制造技术中，随着信息时代的进步，微互联技术已成为封装工程中举足轻重的一环。微互联技术是通过热压焊、超声焊和软钎焊等方法将电子元件与基板连接的一种焊接技术，而本论文研究的对象就是微互联技术中的一部分，通过钎焊的方法进行微互联。钎焊有别于传统焊接，传统焊接为熔化焊，钎焊是采用液相线温度比母材固相线温度低的金属材料作钎料，加热母材和钎料至钎料融化母材不融化的，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材溶解和扩散而实现连接母材的方法。每种钎料应具有两种特性，钎料的熔点应低于母材的熔点，钎料在木材上必须润湿。钎焊根据工作温度可以分为软钎焊（低于450℃）、硬钎焊（高于450℃）和高温钎焊（高于900℃）。在电子分装环节中，最初投入使用的是锡铅(Sn-Pb)合金钎料，属于软钎焊。

作为最初投入使用的锡铅合金钎料由于具有价廉，易焊接，相对较低的熔点（183℃），无金属间化合物（Intermetallic Compounds:IMC），高强度，良好延展性，湿润性好且形成焊点抗蠕变性能好。这些优良的物理性能和冶金性能特点使其成为连接器件和印刷电路板的常用材料^[1]。但是Pb作为重金属元素，有着剧毒。对人来说，如作用与人体系统和器官，通过神经性毒素对人体造成危害，对环境来说，一定量的Pb能污染大片水域和土地，防治Pb污染也是不可忽视的重任。因而，随着人类的生活水平提高，对环境保护意识不断提高，锡铅合金的毒性等负面影响已引起全球范围内的高度重视，各国纷纷立法禁止使用和销售含有铅的电子电器设备。于2003年2月13日，欧盟提出WEEE指令，其中规定生产厂家对Sn-Pb焊料使用的产品进行回收。相继，由欧盟立法制定的强制性标准——RoHS，于2006年7月1日开始实施，主要规范电子电气产品的材料及工艺标准，使之更加有利于人体健康及环境保护，而其中明确规定禁止Sn-Pb焊料的继续使用。因此有新的焊料，如Sn-3.5Ag和Sn-Ag-Cu等焊料大量投入使用代替Sn-Pb焊料。因而，大量的电子器件出现由于新型焊料的投入使用而出现可靠性问题。由于无铅焊料具有更高的熔化温度（Sn-Ag-Cu熔点217℃）和更高的Sn含量，从而导致界面反应过于激烈迅速，元素在界面进行扩散，在焊接接头形成时生成脆性金属间化合物（Intermetallic Compounds:IMC）,导致可靠性降低等问题^[2,3] 。由于接头内部钎料、IMCs、基板的热膨胀系数不同，过厚的脆性IMCs层在服役过程中受外力易出现剥离等现象，从而导致出现连接性问题。

为了解决IMC这一问题，卢斌等人^[4]通过在Sn-Ag-Cu中加入稀土元素，但效果差，未见成效。无法改进焊料，研究者们想到，可以通过在基板上制备一层金属镀层，阻止焊料与基板形成的金属间化合物的过度生长和Cu的扩散，以确保界面的连接强度。因此倒装芯片中凸点下金属化层阻挡层（Under Bump Metallization:UBM）的制备以及元素扩散阻挡性能成为了当前研究的热点。UBM是连接焊球凸点与芯片的金属化层，为了阻止焊球与铝元件基垫或电路板的铜层之间发生扩散。设计合理的UBM应当具有以下功能：连接芯片，延缓钎料的扩散和反应，防止氧化。研究者发现，Ni和Sn扩散反应的速率比Cu与Sn扩散反应的速率慢很多，所以考虑使用含Ni基的镀层作为UMB层，进而到现在的传统阻挡层Ni-P镀层。