在微电子互连结构中，反应界面化合物层的形貌及厚度是决定焊点可靠性的一个重要因素。本文通过向Sn-3.5Ag共晶焊料中添加第三元素，分别研究Zn和Ni元素对Sn-3.5Ag/Cu界面反应的影响。结果表明，对于Sn-3.5Ag/Cu界面，液态反应初始生成物为Cu6Sn5，在随后的热老化阶段形成Cu3Sn化合物层；Zn元素不影响界面的初生成相及其厚度，但在150℃老化阶段，Cu3Sn化合物的形成受到抑制，取代的是非连续的Cu5Zn8化合物层，并且，化合物层增厚速度减慢；然而，当添加1 wt%的Ni元素后，界面初生相为(Cu,Ni)6Sn5，该化合物层厚明显大于前者，老化阶段界面无其它相生成。

关键字：无铅焊料；合金元素；界面反应；金属间化合物

中图分类号：TG146.23

0 序  言

随着无铅化进程的实施，无铅焊料将逐渐取代Sn-37Pb共晶焊料。SnCu、SnAg和SnAgCu共晶或近共晶焊料是最有希望的替代品 [1,2]。这类焊料的特点是，合金元素的含量较低，而Sn的含量达95wt%以上，性质明显区别于SnPb共晶焊料。因此，无铅焊料取代SnPb共晶焊料，会带来一系列问题，如熔点、润湿性、耐腐蚀性、界面可靠性等等。特别是倒装焊（Flip Chip）、芯片级封装（chip scale packaging）技术的广泛应用，互连焊点尺寸不断减小，目前焊点尺寸已达到100 μm以下，因此，界面可靠性问题成为制约焊料推广及封装技术发展的主要因素之一[3,4]。

Sn-3.5Ag共晶焊料具有优越的润湿性，耐腐蚀性和耐疲劳冲击性，被用于许多特殊场合[5,6]。近年来，国内外学者通过向Sn-3.5Ag焊料中添加Cu、Sb、Ni、In、Bi、Zn以及稀土元素[7-11]，进一步改善焊料的性能，并取得了一定的效果。特别是当添加1 wt% Zn元素后，Sn-3.5Ag焊料的晶粒得到细化，组织分布均匀，同时，屈服强度和剪切强度得到提高[10-11]。然而，很少有关于Zn如何影响Sn-3.5Ag/Cu界面反应的报道，另外，Ni是焊料接头界面常见的一种元素，其对界面反应的影响也值得探讨。

本文通过向SnAg共晶焊料中分别添加1 wt% Zn、Ni元素，重点研究SnAg/Cu、SnAg-Zn/Cu、SnAg-Ni/Cu界面反应物随老化时间的演变情况，为该焊料的推广应用提供试验数据。

1 试验材料及方法

在加热炉中，将纯Sn、纯Ag和纯Zn以及纯Sn、纯Ag和纯Ni分别混合熔炼，生成表1所示的焊料。熔炼过程中，熔融金属采用共晶配比的KCl+LiCl混合盐进行保护，熔炼温度为600 ℃，保温时间4小时，充分搅拌。液态焊料在冷却到约300 ℃时浇注入直径6 mm的不锈钢模具，自然冷却。随后，将焊料棒切割成尺寸为Φ5×2 mm的小圆盘，置于丙酮中用超声波清洗，吹干后备用。将圆盘状焊料浸入RMA助焊剂中，随后放置于20×20×0.2 mm的Cu箔上，在加热炉加热至260 ℃，焊料液态温度以上保温60 s。以上试样在150℃恒温炉中进行等温热老化0~20天。之后，将试样进行冷镶嵌，在SiC细砂纸上打磨后，采用0.05 μm的Al2O3悬浮液进行抛光，表面经轻腐蚀之后，采用扫面电镜及能谱分析仪分析反应界面的微观组织形貌及成分。

表1 焊料成分（wt%）

 
 Zn
 Ag
 Sn
 
Sn-3.5Ag
 0
 3.5
 余量
 
Sn-3.5Ag-1.0Zn
 1.0
 3.5
 余量
 
Sn-3.5Ag-1.0Ni
 1.0
 3.5
 余量
 

2结果及分析

图1为了Sn-3.5Ag/Cu界面反应物的演变情况的二次电子相。根据Cu-Sn二元相图可知，在本试验条件下，Cu/Sn界面上会形成Cu6Sn5和Cu3Sn两种化合物，由于Cu6Sn5的Gibbs自由能更低，因此在液态反应阶段最先形成Cu6Sn5。但是，Cu和Cu6Sn5处于不平衡状态，在热态条件下，会促发反应，Cu+Cu6Sn5→Cu3Sn，从而形成Cu3Sn，降低界面自由能，使体系稳定。在焊态下，如图1a所示，反应界面形成了一层连续的扇贝状化合物层，能谱分析表明该化合物为Cu6Sn5。150℃条件下保温一段时间后，在Cu6Sn5/Cu界面形成了一层新的化合物，图1b为保温20天后的界面形貌电子相，能谱分析表明，该化合物层为Cu3Sn。

另外，在热老化阶段，总的化合物层厚度随老化时间的延长而增加。并且，Cu6Sn5化合物层的增厚速度明显快于Cu3Sn。