Au_Sn界面互扩散特征.doc

第 29 卷 　第 4 期 Vol. 29 №. 4 稀 　有 　金 　属 　　　　　 　　　　　　 CHINESE JOURNAL OF RARE METALS 2005 年 8 月 　　　　　　　　　　 Aug. 2005 Au/ Sn 界面互扩散特征 3 , 刘泽光 , 陈登权 , 罗锡明 , 许 　昆 , 邓德国 陈 　松 (昆明贵金属研究所 , 云南 昆明 650221) 摘要 : 从扩散机制、扩散动力学、热力学以及相结构等方面 , 总结了室温范围内 Au/ Sn 互扩散的主要特点。给出了 Au/ Sn 互扩散中生成的 AuSn , AuSn2 , AuSn4 等金属间化合物的主要性质。详细总结了不同 Sn 含量的 Au/ Sn 扩散中 , 初始态、中间态和最终态的金属间化合物的形成 次序、形貌、分布、演化等特征。采用热力学方法定量计算了不足量的 Au 或 Sn 的条件下 Au/ Sn 扩散中各中间相的生成吉布斯自由能 , 较好 地解释了中间相的演化规律。给出了 Au/ Sn 扩散的扩散数据 , 以及主要中间相的生长特点 , 介绍了 Kirkendall 效应导致的相关效应。 关键词 : 金 ; 锡 ; 扩散 ; 热力学 ; 金属间化合物 中图分类号 : TG146. 3 　　文献标识码 : A 　　文章编号 :0258 - 7076(2005) 04 - 0413 - 05 　　早在 1931 年 , Tammann 等[1] 对 Au/ Sn 扩散问 意义和实用价值。本文针对 Au/ Sn 扩散问题 , 从扩 题进行了初步研究。从 20 世纪 70 年代开始 , 随着 散热力学、动力学和扩散机制等方面 , 较系统地介 半导体、微电子工业的发展 , 人们采用 XRD , TEM , 绍和分析了国内外近年来的相关研究及成果。 Rutherford backscattery 等分析手段[2～5] , 对 Au/ Sn 薄膜扩散问题 , 进行了深入研究[2～17] 。同时由于 1 　Au/ Sn 扩散产生中间相的特点 ⅠB 族 (Cu , Ag , Au) 元素在 ⅢA 族和 ⅣA 族 ( In , 图 1 为 Au2Sn 二元相图[12 ,14 ,15] 。从图中可以看 Sn , Pb) 元素中的扩散属于特殊的快扩散 (间隙机 到 , 在室温范围内 , Au/ Sn 扩散中至多可能出现的 制) [2] , 因此也受到材料学领域的关注。 中 间 相 依 次 为 : β(Au10Sn) , ζ, ζ′( Au5Sn) , δ 同时对 Au/ Sn 扩散问题的研究 , 对一些实际 (AuSn) , ε(AuSn2) , η(AuSn4) 。但实际上由于扩散 问题有重要指导作用。如高 K 金饰品的扩散焊 动力学因素 , 不一定所有中间相都出现 , 而只能通 [18]的质量控制。又如微电子工业中的 AuSn20低 接 过实验才能确定那些中间相会出现。在已有大量 [19～22]对镀 Au 母件 , 具有良好的浸润性、流 的 Au/ Sn 扩散偶实验中 , 发现会出现的中间相为 : 温钎料 ζ′(Au5Sn) , δ(AuSn) , ε(AuSn2) , η(AuSn4) , 但必 动性 , 接头强度高 , 可靠性高 , 而广泛应用于微电 须具备一定条件 , 例如 , 满足一定成分要求的 Au/ 子器件的高可靠气密封装、单晶 Si 与 GaAs 芯片的 Sn 扩散偶 , 在一定温度下进行退火 , 可以出现ζ′ 焊接与组合装配、电极连接等方面。利用 Au/ Sn 之 间的扩散作用 , 是制备 AuSn20钎料的重要方法之 (Au5Sn) [3 ,6 ,25] 。而在 Au/ζ扩散偶实验中[14] , 发现 一 , 即叠层冷轧复合法[20 ,21 ,24 ,25] , 该法采用 Au 带、 可出现β(Au10Sn) 。表 1 列出了 Au2Sn 二元系中各 Sn 带交替叠合 (至少 5 层) 后 , 冷轧制成所需规格 [12 ,23] 。 相的主要性质 特别值得注意的是 , AuSn 相为 NiAs 结构 , 该 的箔材。更重要的是近年发展起来 , 用于电子工业 的无 Pb 焊料 , 大多为 Sn 基 , 例如 Sn2Ag 系、Sn2Ag2 [7] : Au 原子在 AuSn 晶格上 , 产 结构的主要特点为 生大量的缺陷(空位或间隙原子) , 而且 Au 的含量 Cu 系。此类 Sn 基无 Pb 钎料 , 焊接镀 Au 工件时 , 可以在一定的范围内变化 ; 更重要的是 , 这利于 是受到普遍关注的一个关键技术问题 : 既解决 Sn AuSn 进一步发生相变 , 变为其他相 (如