錫和銅的納米結(jié)構(gòu)對(duì)形成錫須的影響

　　隨著電子行業(yè)不斷提高遵守ROHS 標(biāo)準(zhǔn)的程度，使用普通共晶錫鉛焊錫的元件越來(lái)越少。人們廣泛地把鉛從電子系統(tǒng)中拿走，但是，錫須可能引起故障的風(fēng)險(xiǎn)卻十分普遍。

　　錫須是微米數(shù)量級(jí)的金屬細(xì)絲，它在純錫的表面出現(xiàn)，不可預(yù)見(jiàn)，像針狀細(xì)絲，或者“突然冒出來(lái)的奇形怪狀”、向外伸出來(lái)的細(xì)絲，或者不規(guī)則的小結(jié)節(jié)狀的“凸起物”。它們是單晶體，導(dǎo)電，并且能夠生長(zhǎng)到相當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度（＞ 2.0毫米），從而有可能在緊密排列的導(dǎo)線、走線和焊點(diǎn)之間形成電氣短路。

　　人們普遍認(rèn)為，薄錫層的形態(tài)和它們下面的基板（包括、但不限于錫和銅之間的界面上形成的Cu6Sn5 金屬互化物），還有應(yīng)力條件和/ 或應(yīng)力梯度以及可能的環(huán)境條件，也許這些因素都可能在晶須的生長(zhǎng)中起著有意義的作用。

　　科學(xué)界依然不懈地努力，試圖揭開(kāi)形成錫須的物理機(jī)制，一些人則著重研究減少錫須的方法，以應(yīng)對(duì)純錫表面出現(xiàn)的不可預(yù)測(cè)知的問(wèn)題，提高組件的可靠性。本文的目的是后者。本文擴(kuò)大了我們以前的工作。我們以前工作的結(jié)論是，納米多晶錫和多晶銅上面的多晶錫在1000 次熱循環(huán)后形成混合晶須的情況得到減輕。

　　背景

　　這項(xiàng)研究的目的是延伸我們以前的工作 。在以前的工作中，我們探討了影響傳統(tǒng)鍍錫層表面上面的納米晶體銅底面層的影響，以及生長(zhǎng)晶須的程度。在以前的研究中，我們發(fā)現(xiàn)，在用電子束蒸鍍（物理氣相鍍膜（PVD）技術(shù)）鍍錫或者電鍍亮錫后，納米銅減少了錫須的密度。

　　通過(guò)電鍍亮錫把多晶錫電鍍?cè)阢~表面層上，銅層的平均晶粒尺寸為100 納米時(shí)，晶須完全消除了 。

　　在目前的工作中，分別通過(guò)鍍暗錫和鍍亮錫，在納米晶體銅和多晶銅覆蓋的基板上鍍一層薄純錫。我們研究的變量包括電鍍的占空比和摻入的晶粒細(xì)化劑數(shù)量。對(duì)這些樣本進(jìn)行熱循環(huán)，促進(jìn)晶須在易受影響的樣品上生長(zhǎng)。本文還討論了最后得到的表面形態(tài)，應(yīng)力水平和生長(zhǎng)晶須的程度。

　　納米結(jié)構(gòu)層的沉積通常是通過(guò)脈沖電子束鍍膜（PED）完成，加入有機(jī)添加劑，如復(fù)雜的成形劑和抑制劑以便得到較小的晶粒。這些添加劑能夠抑制晶粒的生長(zhǎng)，從而得到比較細(xì)的晶粒結(jié)構(gòu)。在這方面，我們根據(jù)我們先前的發(fā)現(xiàn)，即鍍層中含的電解液添加劑（即增白劑和抗氧化劑）和我們的PVD 層（表面上看是“純”）一樣，與晶須的生長(zhǎng)無(wú)關(guān)，因此，在研究中我們可以根據(jù)研究的需要使用電鍍添加劑來(lái)減少晶須生長(zhǎng)。

　　實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)

　　鍍銅與分析

　　我們?cè)谘芯恐惺褂玫臏y(cè)試基板是1“×1”×0.010“的銅基板。納米晶體銅的電鍍沉積是銅電鍍槽中用PED 鍍膜形成，銅電鍍槽中的電鍍液由硫酸銅、硫酸銨和檸檬酸組成，檸檬酸作為晶粒細(xì)化添加劑。銅電鍍膜是用電流密度0.165A/ 平方英尺、峰值電流為10A 的電流進(jìn)行電鍍得到。多晶銅薄膜是用直流標(biāo)準(zhǔn)硫酸銅工藝得到。電鍍銅膜的厚度為5 微米。

　　圖1a 和1b 分別是多晶銅和納米晶體銅薄膜形態(tài)的掃描型電子顯微鏡（SEM）顯微照片。多晶銅的平均晶粒尺寸為2 微米，納米晶體銅的平均晶粒尺寸為100 納米。

　　鍍錫膜

　　添加晶粒細(xì)化劑，分別用鍍暗錫和鍍亮錫把純凈的錫鍍?cè)诙嗑с~和納米晶體銅基板上。電流密度為0.170A/平方英寸，峰值電流為10A，采用不同的占空比。使用純錫陽(yáng)極，陽(yáng)極的工作溫度為25℃，連續(xù)進(jìn)行機(jī)械攪拌。鍍亮錫和鍍暗錫（表1-2 中為BC 和MC）的對(duì)照基板，是用直流鍍膜，不使用晶粒細(xì)化劑，以便進(jìn)行比較。對(duì)樣品進(jìn)行鍍暗錫和鍍亮錫的工藝參數(shù)分別見(jiàn)表1 和表2。

　　正如以前的研究中所說(shuō)的，我們選擇的鍍錫層厚度為2 微米，由于這個(gè)厚度在20 微米之內(nèi)，低于減少錫須閾值的上限，大于1μm 的減少晶須閾值的下限，這個(gè)閾值是Ostermann 提出的，不過(guò)，由于這個(gè)厚度接近閾值的下限，晶須生長(zhǎng)比較慢。

　　熱循環(huán)

　　鍍錫后，所有樣品按照IEC60068-2-82 的規(guī)定進(jìn)行熱循環(huán)。熱循環(huán)的溫度范圍為-55℃到+85℃，持續(xù) 10 分鐘，歷時(shí)9 天（總共進(jìn)行168 個(gè)熱循環(huán)）。

　　微觀分析

　　所有的熱老化完成后，立即用掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行分析。一系列的顯微照片顯示，“對(duì)照的”（多晶）鍍錫層的形態(tài)，通過(guò)改變晶粒的細(xì)化程度，鍍錫層的形態(tài)不一樣，圖2a 至2c 是鍍亮錫的顯微照片，圖3a-3c 是鍍暗的顯微照片。

　　在納米晶體銅上鍍亮錫情況中，顯微照片中有清晰的、橢圓形長(zhǎng)晶粒演化為逐漸聚結(jié)的情況，平均表面粗糙度直線下降。在納米晶體銅上的鍍暗錫的情形，對(duì)于多晶控制，在兩個(gè)細(xì)晶粒樣品中有一個(gè)粗糙度的非線性發(fā)展過(guò)程，但是平滑清晰。

　　圖4 左圖是多晶銅襯層上面的錫膜，右圖是納米晶銅襯層上面的錫膜。這兩個(gè)錫膜是同樣的，數(shù)字對(duì)應(yīng)于表1 和表2 中所列的序號(hào)。

　　在圖4 中，把顯微照片放在一起，對(duì)比多晶錫上面的錫膜和下面的納米晶體銅層。對(duì)于研究中使用的所有配方，觀察鍍錫層的表面結(jié)構(gòu)表明，鍍錫層下面的銅層對(duì)鍍錫層的表面結(jié)構(gòu)沒(méi)有任何影響。

　　應(yīng)力和表面粗糙度

　　八種不同類型錫的表面粗糙度分別稱作IPC-1 到IPC-8（見(jiàn)表3），表面粗糙度使用Veeco Wyko NT1100 光學(xué)輪廓測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定，放大倍率為50 倍，每個(gè)圖像為1374 幀。

　　我們用KLA Tencor 公司的激光FLX 薄膜應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量了IPC1-IPC8 的沉積應(yīng)力。用來(lái)進(jìn)行應(yīng)力和表面粗糙度測(cè)量的測(cè)試基板由4 英寸圓形硅晶片構(gòu)成，用電子束蒸鍍300A 的鉻、1 微米的銅（作為芯晶層）對(duì)硅晶片進(jìn)行金屬化，然后電鍍2 微米的錫（樣品IPC1- IPC8 參數(shù)見(jiàn)表3）。在芯晶蒸鍍（作為基礎(chǔ)）之后，測(cè)量曲率半徑和弓度，然后，在鍍錫后再測(cè)量曲率半徑和弓度，得到一個(gè)應(yīng)力讀數(shù)以進(jìn)行比較。

　　表4 中的數(shù)據(jù)表明，納米晶體膜的應(yīng)力沒(méi)有明顯的不同，或者相對(duì)多晶銅膜在大小方面呈線線性關(guān)系。IPC2和IPC3（都是納米晶體暗錫）的表面粗糙度小于IPC1（多晶暗錫），而IPC4（納米晶體暗錫）的表面粗糙度稍大些。另一方面，和IPC5（多晶亮錫）相比，IPC7 和 IPC8（兩者都是納米晶體亮錫）的表面粗糙度都比較大，而IPC6（也是納米晶體亮錫）的表面粗糙度比較小。

　　錫須

　　用納米銅襯層制備的14 個(gè)亮錫樣品中，只有三個(gè)樣品有晶須（序號(hào)4、6、和10）。

　　我們觀察到各種形態(tài)的晶須，包括典型的條紋形針狀細(xì)絲、形狀古怪的細(xì)絲、凸起、以及光滑的長(zhǎng)方形晶須。圖6 是一個(gè)凸起（老化后它可能最終演變?yōu)榫ы殻?，是在鍍亮錫對(duì)照樣品（序號(hào)2）的表面上形成的，圖7 是長(zhǎng)方形晶須，在鍍暗錫對(duì)照樣品（序號(hào)15）的表面上形成的。與以前的工作［1］ 不一樣的是，我們發(fā)現(xiàn)，多晶銅上面的多晶暗錫的確形成晶須（圖8），而納米晶體銅上面的暗錫沒(méi)有形成晶須（圖3a）。

　　收集了SEM 檢查的平面掃描照片之后，把4 個(gè)樣品作罐封，并作切面。對(duì)錫和銅界面上的金屬互化物（IMC）部位作了兩次成像：一次是在機(jī)械拋光后（圖9 － 12），一次是使用商用錫剝離劑進(jìn)行兩分鐘的濕法化學(xué)腐蝕之后（圖13 － 16）。在腐蝕之前，蜿蜒的分界線清晰可見(jiàn)，估計(jì)了厚度。與多晶錫相比，對(duì)于細(xì)晶粒錫，在暗錫和亮錫兩種情況下，金屬互化物在體積和厚度方面都比較大。

　　結(jié)論

　　我們已經(jīng)成功地證明，通過(guò)脈沖鍍膜和加入晶粒細(xì)化劑，能夠改變錫的晶粒尺寸、形狀和晶體結(jié)構(gòu)。樣品在腐蝕前和腐蝕后的切面可能說(shuō)明，對(duì)于納米晶銅上面的細(xì)晶粒錫，樣品中的金屬互化物體積增大。錫與銅之間界面的金屬互化物（IMC）部位的初步成像表明，納米銅襯層防止多晶錫形成晶須，多晶銅襯層則不能夠——和我們先前的發(fā)現(xiàn)［1］ 相反。

　　我們準(zhǔn)備在下一年對(duì)所有的28 個(gè)樣品進(jìn)行環(huán)境老化，隋后進(jìn)行顯微鏡分析，從納米結(jié)構(gòu)程度和/ 或表面平滑程度方面評(píng)估所有晶須在生長(zhǎng)傾向上的差別。對(duì)于今天的微電子行業(yè)，使用無(wú)鉛焊錫已是現(xiàn)實(shí)，對(duì)于微電子行業(yè)，不可預(yù)知的錫須性是重大挑戰(zhàn)，它決定著微電子器件的可靠性。

　　在決定是否改變鍍層內(nèi)部晶粒形態(tài)方面必須做進(jìn)一步的研究（和計(jì)劃），這些工作可能有助于重新分配電鍍時(shí)的應(yīng)力和逐漸變化的應(yīng)力，也能延緩或防止生長(zhǎng)錫須。

　　圖1a 和1b 分別是多晶銅和納米晶體銅薄膜形態(tài)的掃描型電子顯微鏡（SEM）顯微照片。多晶銅的平均晶粒尺寸為2 微米，納米晶體銅的平均晶粒尺寸為100 納米。

　　鍍錫膜

　　添加晶粒細(xì)化劑，分別用鍍暗錫和鍍亮錫把純凈的錫鍍?cè)诙嗑с~和納米晶體銅基板上。電流密度為0.170A/平方英寸，峰值電流為10A，采用不同的占空比。使用純錫陽(yáng)極，陽(yáng)極的工作溫度為25℃，連續(xù)進(jìn)行機(jī)械攪拌。鍍亮錫和鍍暗錫（表1-2 中為BC 和MC）的對(duì)照基板，是用直流鍍膜，不使用晶粒細(xì)化劑，以便進(jìn)行比較。對(duì)樣品進(jìn)行鍍暗錫和鍍亮錫的工藝參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2。
編輯：YYX