Sn单晶粒微凸点的剪切力学性能研究*

王 波，陈世杰，祝进专，夏卫生，张加波，何 曼（. 中国电子科技集团公司第38研究所，合肥 30088；. 华中科技大学材料科学与工程学院，武汉 430074）

Sn单晶粒微凸点的剪切力学性能研究*

王 波1，陈世杰2，祝进专1，夏卫生2，张加波1，何 曼2
（1. 中国电子科技集团公司第38研究所，合肥 230088；2. 华中科技大学材料科学与工程学院，武汉 430074）

摘 要：微电子先进封装要求微凸点的尺寸不断缩小以满足高密度互连的需求。而微凸点小型化使其微观组织和力学行为都会发生重要变化，进而影响到封装可靠性。通过剪切实验，研究了基体中仅包含一个Sn晶粒微凸点的剪切力学行为及其断裂模式。研究发现在应力和应变速率关系式中，Sn单晶粒微凸点的应变速率敏感度指数m约为0.1，常数值K约为29。Sn单晶粒微凸点的剪切断口表面光滑平整，滑移带分布清晰，属于单晶滑移断裂。研究结果有助于评估Sn单晶粒微凸点的封装可靠性。关键词：高密度互连；Sn单晶粒微凸点；应变速率敏感度指数；滑移断裂

1　 引言

在微电子封装领域，互连密度的快速升高要求微凸点的尺寸不断减小，而微凸点的小型化使焊点的微观组织结构会发生重要的转变[1～2]。当微凸点的尺寸减小至Sn晶粒尺度时，微凸点将从多晶粒体系向单晶粒体系转变[3]。此时，微凸点的基体将只包含一个Sn晶粒，称之为Sn单晶粒微凸点。而以往通过多晶粒体系所建立的焊点力学性能及可靠性分析模型有可能会随之失效。因此，对面向高密度互连的Sn单晶粒微凸点的微观组织和力学性能需要进行更深入的分析。

2　 实验方法

在硅片上通过光刻、电镀和保护性气氛回流等方法，制得了直径40 μm、高度20 μm、间距200 μm的Sn微凸点阵列，其形貌如图1所示。Sn微凸点的凸点下金属化焊盘（UBM）为Ti/Ni/Cu三层结构。将Sn微凸点阵列试样通过镶样、抛光及腐蚀等方法获得Sn微凸点的横截面，通过电子扫描显微镜（SEM）、聚焦粒子束切割（FIB）和背散射衍射显微镜（EBSD）等分析手段观察了微凸点的形貌及晶体结构。最后，通过推球剪切实验分析了微凸点在不同剪切速率下的剪切力学行为和断裂模式。实验所采用的推球设备为Dage 4000+推拉力剪切力测试仪。

图1 微凸点阵列及单个微凸点的形貌SEM图

3　 实验结果与讨论

3.1 Sn微凸点的微观组织结构

采用FIB在微凸点顶部切割出一个平面结构，如图2（a）所示。然后通过EBSD在该平面上进行晶界分析。晶体中，如果原子失配角超过2°，即可被认定为晶界，EBSD分析软件会用红线标出晶界。图2 （b）表明，在该晶体中原子排列有序，表明Sn基体是一个完整的Sn晶粒。因此，所研究的Sn微凸点基体只包含一个Sn晶粒，属于Sn单晶粒微凸点。

BGA焊球的直径通常是几百微米，甚至达到毫米级尺寸，远大于Sn的单个晶粒尺寸，因而BGA焊点是由众多的Sn基合金晶粒所构成。由于多晶粒间具有变形协同效应，BGA焊点在力学行为上所表现出来的是多晶粒体系变形行为[4～5]。但在本研究中，因为Sn微凸点基体仅包含一个Sn晶粒，所以不会出现多晶粒间的协同效应，其力学行为将会与我们通常所认知的BGA焊点的行为有所不同。

图2 Sn微凸点的FIB切割样品及EBSD晶界分析

3.2Sn单晶粒微凸点的剪切力学行为和断裂模式

图3显示的是Sn微凸点的推球实验示意图。推球高度设定为5 μm，推刀分别以10 μm·s-1、200 μm·s-1、400 μm·s-1和 600 μm·s-1的速率进行推球，通过推力值和断面面积，获得不同速率下的Sn单晶粒微凸点的剪切应力值。平均每一个剪切速率下，剪切30个微凸点。通过电子扫描显微镜观察Sn单晶粒微凸点在剪切断裂下的断口形貌，分析其断裂模式。3.2.1 Sn单晶粒微凸点不同速率下的剪切应力

图3 推球实验示意图

Sn单晶粒微凸点在不同剪切速率下的剪切强度关系如图4所示。在10 μm·s-1、200 μm·s-1、400 μm·s-1和600 μm·s-1的剪切速率下，Sn单晶粒微凸点的平均剪切强度分别为26 MPa、35 MPa、37.6 MPa和38.4 MPa。剪切的微凸点断口形貌如图5所示，经过统计，断面的平均直径约为30 μm。

图4 剪切强度-剪切速率关系图

金属材料发生塑性变形时的应力和应变速率关系式可以用式（1）表示：

将式（1）取对数，获得式（2）：

计算获得：m≈0.1，K≈29。

由此可知， Sn单晶粒微凸点的应变速率敏感度指数m约为0.1，该数据可以应用于Sn单晶粒微凸点的本构关系建模。

3.2.2 Sn单晶粒微凸点的剪切断裂模式分析

Sn单晶粒微凸点分别在10 μm·s-1和600 μm·s-1推球速率下的断口形貌如图5（a）、（b）所示。通过图5可以看出，Sn单晶粒微凸点的剪切断裂都发生在Sn单晶粒内部，且断面平整光滑。对断面局部进行放大，观察到在Sn单晶粒微凸点的断面上具有与剪切方向一致的滑移带，如图5（c）所示。这表明在当前的剪切速率下，Sn单晶粒微凸点都显示出单晶剪切滑移断裂的特征。这与SnAgCu BGA焊点所表现出来的微孔聚集型剪切断裂明显不同，如图5（d）所示。因此， Sn单晶粒微凸点的剪切断裂是沿着Sn单晶粒的滑移面迅速扩展而形成的脆性滑移断裂。

4　 结论

通过对直径40 μm Sn微凸点进行微观组织和剪切力学性能研究，发现：

（1）当微凸点尺寸减小至Sn晶粒尺度时，Sn微凸点中仅包含一个Sn晶粒，成为Sn单晶粒微凸点。

（2）剪切实验揭示了在Sn单晶粒微凸点的应力和应变速率关系式（）中，应变速率敏感度指数约为0.1，常数K为29。

（3）Sn单晶粒微凸点的剪切断口表面平整光滑，且具有分布清晰的滑移带，其剪切断裂模式属于单晶滑移断裂，这与BGA等大尺寸焊点的微孔聚集型剪切断裂模式明显不同。

图5 断口表面形貌

参考文献：

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中图分类号：TN305.96

文献标识码：A

文章编号：1681-1070（2015）06-0032-03

收稿日期：2015-4-8

*基金项目：国家自然科学基金（61306133）

作者简介：

王 波（1982—），男，山东龙口人， 2010年于华中科技大学获博士学位，现工作于中国电科第38研究所，主要研究方向为微电子封装。

Research on the Mechanical Shear Property of Microbumps with one Sn Grain

WANG Bo1, CHEN Shijie2, ZHU Jinzhuan1, XIA Weisheng2, ZHANG Jiabo1, HE Man2
（1. China Electronics Technology Group Corporation No.38 Research Institute, Hefei 230088, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China）

Abstract:With the rapid development of the advanced microelectronic packaging technology, the volume size of microbumps is required continuing to be reduced to meet the high density solder interconnects. The miniaturization of microbumps would lead to a significant change in the microstructure and the mechanical behavior, which would finally influence the reliability of microelectronic packaging. In present research, the mechanical shear property and the fracture mode of the microbumps with only one Sn grain in the bulk have been studied by shearing test. It is found that the strain rate sensitivity exponent m and the constant K is about 0.1 and 29, respectively in the relationship of stress and strain rate. The microbumps with one Sn grain have a smooth fracture surface with clear slip bands, indicating that the fracture mode is the slidingfracture of monocrystal. The results are helpful to assess the packaging reliability of the microbumps with one Sn grain.

Key words:high density interconnects; microbump with one Sn grain; the strain rate sensitivity exponent; the sliding fracture