电镀雾锡层锡晶须生长机制的研究

电镀雾锡层锡晶须生长机制的研究

颜怡文,李照康,邹孟妤

(台湾科技大学,台湾106)

[摘要]研究了电镀雾锡层锡晶须在不同时效温度下的生长情形,并以统计方式探讨了锡晶须在不同形状的基材上的生长机制。结果表明:弯曲的引脚处会产生拉张及压缩应力,在凹面区域及其两侧平面所受到的压缩应力会促进锡晶须的生长,而在凸面区域及其两侧平面所受到的拉张应力会抑制锡晶须的生长;对比采用不同热处理温度的情况,锡晶须的数量和长度皆会随着温度的升高而减少。

[关键词]雾锡;锡晶须;拉张应力;压缩应力

[中图分类号]TQ153.1[文献标识码]A[文章编号]1001-3660(2010)03-0019-04

半导体制造过程中的表面黏着技术(SMT,即sur-face mount technology)通常是在铜导线架(leadframe)表面电镀焊锡,从而增加引脚的钝化性及提高其润湿性,以利于元件和电路板间的接合。而传统上是以锡-铅焊料作为覆盖层,但因欧盟及各大国纷纷立法规范限制铅的使用,使得电镀焊锡必须由含铅技术转为无铅化技术。而在无铅化技术中,引脚被覆材料大多采用纯锡或锡-铜合金,对于引脚表面修饰最大的影响莫过于锡晶须的自发性生成,锡晶须的生成可能加速元件失效。

有许多研究都提出了锡晶须生长的原因,压缩应力被认为是诱发锡晶须生长的主要原因。文中将铜试片弯曲特定角度以模拟引脚真实状况,使引脚的镀层一面为拉张应力,另一面为压缩应力,以观察电镀期间所产生的不同应力状态对锡晶须生长的影响;并同时观察热处理时间不同时,拉张、压缩应力对锡晶须的影响。

1·实验

试片为尺寸10.0mm×5.0mm×0.2mm的纯铜片(纯度为99.999%)。为了使镀层具有较好的附着性及均一性,先用4000#砂纸打磨,并依次用1.0,0.3μm的氧化铝粉溶液抛光,使铜片表面平滑,再放入超音波振荡器中清洗,去除残留氧化铝粉。之后,利用万能试验机固定试片进刀距离,将试片弯曲成90°,此步骤的目的是使每一试片的形变量相同,弯曲的主要目的是使镀层于电镀期间在不同区域产生不同的应力状态。电镀前,先用10%的HCl水溶液对基材进行酸洗,去除污渍及表面氧化层,再放入超音波振荡器中用去离子水清洗,去除残留酸液。

利用商业电镀液ST-380系列进行电镀。固定电镀时间1min,选择电流密度分别为5,10,15,20A/dm2。镀好的试片以冷水和热水交替清洗,直至完全去除残留电镀液,然后烘干。将在不同条件下电镀的试片分别置于60,80,120℃进行热处理,热处理时间分别为100,150,200,250h。用扫描电子显微镜(SEM)对热处理后的试片进行表面微观结构分析,利用统计学方式统计并比较分析其锡晶须的数量分布和长度分布。

2·结果与讨论

文中主要针对电镀雾锡过程中,锡原子在不同形状基材下于沉积期间造成镀层应力分布的不同。假设镀层在凸面区域与凹面区域分别生成拉张应力及压缩应力,共分4个区域,见图1。图2为镀层的横截面蚀刻BEI影像,由图2可见,采用15,20A/dm2的电流密度进行电镀时,镀层结构皆呈现柱状晶的形式,且电流密度愈大,晶粒也随之变大。

图3是以5A/dm2电镀所得试片在60℃下时效250h后的BEI影像对比。图3a的框线内为遭受拉伸应力的区域,其余为微拉张应力区域;图3b的框线内为遭受压缩应力区域,其余为微压缩应力区域。由图3可以发现,不论是拉张应力区域,还是压缩应力区域,框线内的锡晶须数目均小于两侧的平面区域,尤其是拉张应力中心区,几乎没有锡晶须生成。此外,对比2种应力区域的平面区域还可以发现,压缩应力区域的平面区域比拉张应力区域的平面区域有较多的锡晶须。图4和图5分别为电镀试片凸面与凹面在不同放大倍率下的背向散射电子影像(BEI),可清晰地看到锡晶须的分布与形态,凹面区域锡晶须的长度和数量皆大于凸面区域,且凹面区域中心有裂纹产生。测量各区域锡晶须的数量,结果见表1,可见在拉张与压缩应力区域,凹面的锡晶须数目约为凸面的5倍,而在凹面平面的锡晶须数目约为凸面平面的3倍。

推测造成上述观察结果最主要的原因是:在电镀过程中,不同形状的基底所造成的应力分布不同。凹面区域会使锡原子彼此间互相挤压,在镀层内部造成额外的预压缩应力,使得后续时效过程中藉由锡晶须的生长释放此应力;而凸面区域会有一个向凸面两侧方向的应力,造成凸面镀层的密度略低于平面区域,从而在镀层表面造成额外的预拉张应力,在时效过程中能够缓和锡晶须的生长。此外,凹面在电镀过程中产生压缩应力,如按照锡晶须理论,凹面区域所生成的锡晶须数目应会比研究结果所观察到的还要多,但研究中所观察到的结果与预期锡晶须数量有些许差距。笔者将之归咎于在凹面区域中心发现的些许裂纹,裂纹的形成可使部分晶粒原子扩散至镀层表面而消除额外压应力。在压缩应力区域中,一部分残留应力能够藉由裂纹的形成而释放,但其余残留应力仍能驱使锡原子从邻近的晶粒往可产生应力消除的晶粒扩散,通过裂纹挤压出来形成锡晶须。而凸面区域在电镀过程中产生拉张应力,在时效过程中会有往凸面中心的力,使凸面两边的镀层有额外的拉张应力来缓和锡晶须的生长。

图6为采用不同电流密度电镀的试样经60℃时效250h后的锡晶须数量与长度统计图,其锡晶须的数量及长度大致符合V型趋势。在其他时效时间下,例如100,150,200h,亦呈现相似的V型趋势。电流密度与锡层厚度呈线性关系,而厚度影响锡晶须生长的最主要因素可能是在镀层与基材间的介金属相。图7为不同厚度的镀层在相同时效温度下处理相同时间后的内部应力示意图。与较厚镀层相比,较薄镀层的介金属相在晶粒界面处所生成的平均压缩应力的影响更大,这是因为较厚镀层能够容纳较多的压缩应力,从而缓和锡晶须的生长。另外,受到压缩应力的锡原子必须藉由扩散达到锡晶须根部的无应力区域,藉此来释放应力。图7中可明显观察到,较厚镀层中的扩散距离比较薄镀层中的要远,可提供时间与空间来抑制锡晶须生长或使锡晶须在镀层内部形成凸块(hillock)结构,因此,锡晶须的生长会随镀层厚度的增加而减缓,其数量与长度随电流密度的增加而下降。但在各电流密度的条件下,显然仅厚度理论是无法解释锡晶须数量增加的情况的,此时必须考虑晶粒形态的影响。几种样品相比之下，10,15A/dm2制备的试片锡晶粒大小略相同,为最大,其次为5A/dm2制备的试片,20A/dm2制备的试片锡晶粒最小。锡晶须的成长主要与锡原子在时效过程中的晶界扩散有关,所以对于较细小的晶粒,有较多的晶界能够在时效过程中帮助锡原子扩散造成再结晶现象,从而造成锡晶须的生长。此外,晶粒较细小使得晶界较多,锡原子能够扩散至基材与镀层的介面处而形成介金属相,导致镀层内部的压缩应力增加,从而为锡晶须的生长提供驱动力。上述厚度和晶粒大小对锡晶须生长的影响可以解释图6中5,20A/dm2制备的试片为何锡晶须数量较多且较长。

图8为采用5A/dm2电镀的试片在不同温度(60,80,120℃)下时效处理150h后的锡晶须生长比较图。由图8可见,锡晶须的生长随时效温度的上升而减缓,尤其在120℃,锡晶须似乎才突破氧化层而形成。推测温度变化对锡晶须成长的主要影响因素为介金属相的生成,介金属相的形成依靠镀层与基材间锡原子和铜原子的相互扩散,温度越高,扩散速率越高,介金属相越易生成,从而为锡晶须的成长提供驱动力。但实验中,锡晶须的成长随温度升高而减缓,此时需考虑再结晶现象。锡的再结晶温度约为50~60℃,在此温度下镀层中的应力会藉由空孔与差排释放,此时锡镀层中锡原子的扩散速率增加,锡晶须较容易成长。但试验中的温度高于再结晶温度,会产生退火现象,此过程则会促进应力的消除,并抑制锡晶须生长。此外,在高温下,还应考虑氧化层的因素。锡晶须生长必须突破氧化层,使空位能够进入镀层中,使受到压缩应力的锡原子能够藉由空孔扩散到达锡晶须根部的无应力晶粒中,藉此缓和镀层中的压缩应力,可将氧化层看作锡晶须成长的阻障层,根据扩散理论,氧化层的厚度是时间与温度的函数,它随温度的升高呈指数增加。所以,当热处理温度较高时,除了会产生退火现象,还会使氧化层较厚,使锡晶须要突破氧化层变得更为困难。

3·结论

1)镀层在凸面与凹面的不同形状区域下分别生成拉张应力和压缩应力,其两侧平面则为微拉张应力区和微压缩应力区,凹面区域因产生压缩应力较容易诱发锡晶须的生成,证明不同形状的基材确实能够影响锡晶须的生长。此外,若镀层表面产生裂纹,为释放应力提供渠道,可缓和锡晶须的生长。

2)在室温至60℃的温度下进行时效处理时,锡晶须较容易生长;但当温度更高时,将会使锡膜结构产生退火现象,从而减缓锡晶须的生长。

3)退火温度升高可使表面锡膜氧化层的厚度增加,该氧化层能够作为锡晶须生长的阻障层,延缓锡晶须的生长。

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