1、书书书测控技术2023 年第 42 卷第 1 期智能感知与仪器仪表收稿日期:2021 12 29引用格式:梁晓波，黄漫国，刘德峰，等 MEMS 封装中全 Cu3Sn 焊点组织演变及剪切性能 J 测控技术，2023，42(1):40 44LIANG X B，HUANG M G，LIU D F，et al Microstructure Evolution and Shear Performance of Full Cu3Sn Solder Joints in MEMSPackaging J Measurement Control Technology，2023，42(1):40 44MEMS 封装
2、中全 Cu3Sn 焊点组织演变及剪切性能梁晓波1，2，黄漫国1，2，刘德峰1，2，高云端1，2，李欣1，2，张鹏斐1，2(1 航空工业北京长城航空测控技术研究所，北京101111;2 状态监测特种传感技术航空科技重点实验室，北京101111)摘要:对 Cu/Sn+Sn/Cu 结构进行了低温键合，在不同的键合时间下制备焊点，分析了键合时间对焊点界面组织演变的影响和全 Cu3Sn 焊点制备过程中界面反应机理，对焊点的剪切性能进行了分析和研究。结果表明，随着键合时间的增加，Cu6Sn5逐渐变成扇贝状并不断长大。键合时间达到 90 min 时，Sn 完全被消耗，继续增加键合时间，Cu3Sn 以 Cu6
3、Sn5的消耗为代价不断长大，最终全部转变成 Cu3Sn。随着加载速率的增加，全 Cu3Sn 焊点的抗剪切强度值逐渐减小，焊点界面两侧 Cu3Sn 界面处沿晶断裂占焊点断裂模式的比例越来越大，因为这种沿晶断裂的抗剪切能力较小，所以焊点的抗剪切强度随着加载速率的增加而下降。关键词:MEMS 封装;全 Cu3Sn 焊点;组织演变;剪切性能中图分类号:TH162文献标志码:A文章编号:1000 8829(2023)01 0040 05doi:10 19708/j ckjs 2023 01 007Microstructure Evolution and Shear Performance of Full
4、 Cu3Sn Solder Joints inMEMS PackagingLIANG Xiao-bo1，2，HUANG Man-guo1，2，LIU De-feng1，2，GAO Yun-duan1，2，LI Xin1，2，ZHANG Peng-fei1，2(1 AVIC Beijing Changcheng Aeronautical Measurement and Control Technology esearch Institute，Beijing 101111，China;2 Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Sp
5、ecial Condition Monitoring Sensor Technology，Beijing 101111，China)Abstract:The Cu/Sn+Sn/Cu structure is soldered in low temperature and joints are fabricated under differentbonding time The effects of different bonding time on the microstructure evolution at the interface and the in-terfacial reacti
6、on mechanism in the process of full IMC joints fabrication are analyzed The shear performance offull Cu3Sn joined is studied The results indicate that Sn is totally consumed with the bonding time reached 90min Continue to increase the soldering time，Cu3Sn generally increases at the expense of Cu6Sn5
7、consumptionand Cu6Sn5totally transforms into Cu3Sn eventually With the increase of loading rate，the shear strength of fullCu3Sn joints decreases gradually The proportion of the intergranular fracture of Cu3Sn boundary at both sidesof joints is bigger and bigger with the increase of loading rate and
8、the shear resistance of this intergranular frac-ture is low Therefore，the shear strength of full Cu3Sn joints decreases gradually with the increase of loadingrateKey words:MEMS packaging;full Cu3Sn joints;microstructural evolution;shear performance随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Sys-tem，MEMS)技术的快速发
9、展，其封装技术的短板也日益凸显，MEMS 器件的封装成本占 MEMS 产品总成本的 30%50%，成为制约 MEMS 技术进一步发展的瓶颈1。尤其是在航空航天等国防领域，MEMS 器件一般服役于较为恶劣的环境中，对其封装技术提出了更04高的要求，尤其是需要封装焊点能够耐受更高的温度。基于这种需求，学者们提出了一种全金属间化合物(Intermetallic Compound，IMC)焊点2。IMC 焊点与传统有钎料剩余焊点相比具有更好的抗电迁移性能3 4。同钎料相比，IMC 具有更高的熔点，所以可以承受后封装过程中再流焊温度，减少热失配的产生，还可以在高温下进行服役5，更加适用于航空航天等国防领
10、域，例如 MEMS 压力传感器和加速度传感器的封装。在全 IMC 焊点制备中常见的体系有 Cu-Sn、Cu-In、Ag-Sn 和 Ag-In6 9。因为 Cu、Sn 具有常见性以及良好的经济性，所以在 MEMS 封装中的使用较为普遍。近年 来，不 少 学 者 对 全 IMC 焊 点 进 行 了 研究10 21。通过分析，其研究方向主要集中于工艺适应性的定性评价，对全 IMC 焊点形成过程中组织演变的研究仅有个别文献初步涉及，同时对全 IMC 焊点力学性能的研究相对较少，大多研究主要集中于在相同的加载速率下对焊点进行剪切性能研究，并且没有关于组织对剪切性能的影响的深入研究，对断口形貌也只是进行了
11、有限的分析。利用电镀的方法在 Cu 基板上沉积 ms 级别的 Sn 层，组成 Cu/Sn+Sn/Cu 的三明治结构对其进行低温键合，分析全 Cu3Sn 焊点形成过程中组织演变的规律。然后对不同组织的 Cu-Sn 焊点进行了剪切试验，通过分析焊点断口形貌，总结了焊点组织对剪切性能的影响。最后在不同加载速率下对全Cu3Sn 焊点进行了剪切试验，通过观察并分析焊点断口形貌，探究了不同加载速率对焊点抗剪切性能的影响，并得到不同加载速率下焊点的失效机理。1试验材料与方法1 1Sn 层的制备首先采用在 Cu 基体表面电镀 4 m 的 Sn 层。镀层截面金相图、表面形貌扫描电子显微镜(Scanning E-
12、lectron Microscope，SEM)图像和原子力显微镜(AtomicForce Microsscope，AFM)图像如图 1 所示。从图 1 中可以看出，镀层表面晶粒分布较为均匀致密，表面粗糙度仅为 92 nm，没有明显的缺陷，有利于后续的键合。1 2Cu-Sn 焊点的制备每两个电镀有 Sn 层的 Cu 基体组成一个 Cu/Sn+Sn/Cu 结构，分别选择 300 和 1 N 作为键合温度和键合压力，然后在不同的键合时间下(30 min、90 min、150 min、180 min)制备焊点并分别对不同时间的焊点进行灌注制样，先后经过 600#、800#、1000#、1500#、20
13、00#、3000#水砂纸抛磨后再用颗粒度为 1 m 的金刚石抛光膏进行抛光获得表面光滑的焊点截面及金相照片。图 1镀锡层的微观结构1 3Cu-Sn 焊点剪切试验采用超高精度动静态微力试验机对焊点进行剪切性能的测试，加载模式为位移控制，每个试验条件下进行 5 组重复试验，以获得可靠的实验数据及断口形貌。对全 Cu3Sn 焊点分别在 0 001 mm/s、0 01 mm/s、0 1mm/s、1 mm/s 下进行试验，分析加载速率对焊点断裂模式及断口形貌的影响规律。2实验结果及分析2 1Cu-Sn 焊点组织演变图 2 是键合 10 30 min 焊点截面组织形貌 SEM图像和 X 射线的能量色散分析
14、(EDAX)图像。从图 2(a)中可以看出，键合 30 min 后，在 Cu 基板和钎料 Sn之间便形成扇贝状的 Cu6Sn5，并且在 Cu6Sn5与 Cu 基板之间有一层较薄的 Cu3Sn 相生成。随着键合时间的增加，Cu6Sn5相和 Cu3Sn 相均在增加。Cu6Sn5相和Cu3Sn 相是由式(1)和式(2)的化学反应生成，所以IMC 的生长由吉布斯自由能的改变来控制22 25。6Cu+5SnCu6Sn5(1)9Cu+Cu6Sn55Cu3Sn(2)为了在短时间内具有最大的自由能改变，每一个化学反应都需要较高的自由能改变率。自由能的改变率 G 定义为G=0dGdtdt(3)式中:dGdt为化
15、学反应自由能改变;为反应时间。最大自由能的改变率是由生成相的组织与形貌来控制的。由图 2(a)可以看出，每 2 个 Cu6Sn5扇贝之间都14MEMS 封装中全 Cu3Sn 焊点组织演变及剪切性能图 2在键合温度 300 和压力 1 N 下，不同键合时间的焊点形貌和能谱图会有一些通道，这种通道的存在使得来自于铜基板的Cu 原子更加容易进入液态 Sn 中。相信这种扇贝状的结构使得反应具有了最大的自由能改变率，也就是说此时 Cu6Sn5以扇贝状的形貌生长比平面状具有更大的自由能改变率，所以在图 2(a)中 Cu6Sn5是以扇贝状的形貌生长的。另一方面，可以发现 Cu/Cu3Sn 界面相对较为平整，
16、原因在于 Cu3Sn 是由 Cu 原子和 Cu6Sn5通过固态扩散反应得到的，由 Gibbs-Thomson 效应导致的原子扩散率较低，所以导致 Cu/Cu3Sn 界面较为平整。由图 2 还可以看出随着键合时间的增加，Cu3Sn 的生长速率比 Cu6Sn5慢很多，这是由于在 Cu/Sn 固液反应时，Cu 原子溶解进液态 Sn 中所需的激活能较低，而平面状 Cu3Sn 的生长则需要较高的激活能，所以 Cu3Sn的生长相对较慢。观察图 2(a)还可以发现，在较大扇贝 Cu6Sn5底部的 Cu3Sn 厚度要比扇贝两侧 Cu6Sn5/Cu界面处 Cu3Sn 相厚，分析认为这是由于 Cu 向液态 Sn中的扩散溶解要先穿过 Cu6Sn5层，如果 Cu6Sn5层较厚时，也就是在扇贝状 Cu6Sn5晶粒顶部，Cu 原子穿过该层速度较慢，会在 Cu6Sn5相内到达溶解饱和，在 Cu原子浓度较大的 Cu 侧逐渐反应生成 Cu3Sn 相。然而在 Cu6Sn5较薄处，也就是扇贝两侧，Cu 原子可以较为轻易地穿过 Cu6Sn5层进入液态 Sn 中，使 Cu6Sn5内 Cu原子浓度低，与 Cu6Sn5反应速度慢，
