To suppress thermomigration of Cu–Sn intermetallic compounds in flip-chip solder joints

金属间化合物 材料科学 焊接 等温过程 倒装芯片 冶金 铜 温度梯度 复合材料 三元运算 热的 图层(电子) 热力学 合金 程序设计语言 物理 胶粘剂 量子力学 计算机科学
作者
Yanrong Huang,Dinh-Phuc Tran,Po-Ning Hsu,Shih‐Chi Yang,Andriy Gusak,K. N. Tu,Chih Chen
出处
期刊:Journal of materials research and technology [Elsevier BV]
卷期号:24: 7910-7924 被引量:9
标识
DOI:10.1016/j.jmrt.2023.05.084
摘要

We report here an approach to inhibit Cu–Sn intermetallic compounds (IMCs) in flip chip solder joints under thermal-gradient annealing. We reflowed two types of solders joints, Cu/SnAg/Cu and Cu/SnAg/Ni, in an oven (isothermal) and on a hot plate (with thermal-gradient) at 260 °C. During the isothermal reflow, the IMC growth rates in the top and bottom sides of the solder joint were ∼4.0 × 10−2 and 8.9 × 10−2 μm/min, respectively. However, the IMC growth rate increased to 7.8 × 10−1, 7.9 × 10−1, and 8.9 × 10−1 μm/min in the cold ends with low, medium, and high thermal gradients, respectively. Yet, the IMC thickness on the hot ends remained almost unchanged. These results indicate that the thermal gradient has facilitated the Cu–Sn IMC formation in the cold ends. But, when a Ni film was sandwiched at the cold end, the IMC growth rates in the cold end were reduced to ∼9.7 × 10−2, 1.4 × 10−1, and 1.5 × 10−1 μm/min with low, medium, and high thermal gradients, respectively, indicating that the thermomigration of IMCs was retarded by the Ni. It is speculated that the Ni layer transformed the IMCs on the hot end into stable (Cu,Ni)6Sn5 ternary IMCs, and thus the thermomigration of Cu was suppressed. A kinetic model is also proposed to address the competitive reactions of Cu-molten solder joints.
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