基于纳米铜介质材料的铜-铜互连力学及电学性能研究

摘要

在微电子封装技术中，随着电子器件尺寸的不断减小、封装密度和散热要求的不断提高，传统的锡基合金焊料的连接遇到金属间化合物过度生长、电迁移以及尺寸效应等瓶颈，而纳米铜介质材料低温烧结形成的铜-铜互连是最佳解决途径之一。本文以纳米铜介质材料获得的铜-铜互连结构为研究对象，探索了不同有机溶剂系统、不同焊接工艺条件对铜-铜互连结构性能的影响，并通过在纳米铜介质材料中添加酚醛树脂，研究了酚醛树脂强化铜-铜互连结构的规律。
　　本研究主要内容包括：⑴通过使用不同的有机溶剂系统，研究了有机溶剂系统对铜-铜互连结构的影响，实验表明：在低温焊接工艺（240℃）下，铜-铜互连结构的剪切强度随着有机溶剂系统挥发点的升高而先增加后减少，而高温焊接工艺（300℃）下，剪切强度随有机溶剂系统挥发点的升高而增加。这是由于高挥发点的有机溶剂系统虽然能降低铜纳米颗粒氧化率，但分解不完全导致包覆层阻碍了铜纳米颗粒的烧结；高温则有利于高挥发点的有机成分的分解，从而获得较高剪切强度的铜-铜互连结构。⑵通过设计正交试验，分析了焊接温度、保温时间以及焊接气氛对铜-铜互连结构剪切强度的影响，并使用极差分析法得出最佳工艺条件组合，结合方差分析法判断了各工艺条件对铜-铜互连结构力学性能影响的显著性；数据表明：对铜-铜互连结构的剪切强度影响最为显著的工艺因素是焊接温度，其剪切强度随着温度的升高而提高，而保温时间以及焊接氛围对其剪切强度的影响则并不明显。最佳组合工艺参数为：焊接温度340℃，保温时间15 min，氮气作为保护气体。而焊接气氛与焊接温度、保温时间之间则存在有一定的交互作用。⑶通过向纳米铜介质材料中添加不同比例的酚醛树脂（phenolic-resin, PF），研究了不同酚醛树脂添加量对铜-铜互连结构的力学性能、电气性能和铜纳米颗粒烧结组织的影响，并分析了具体影响机理。实验结果表明：PF的添加提高了铜-铜互连结构的剪切强度，这是因为适量添加的PF填充了烧结组织中的空穴，包覆了烧结组织，因此增强了铜-铜互连结构。铜-铜互连结构的电气性能随添加量的增加而减弱，这是由于PF本身的绝缘性所致。但当PF添加量为2 wt％时，其电阻几乎不变，因为PF的包覆减轻了烧结组织的氧化情况，弥补了其绝缘性的不利影响。过多PF添加会阻碍铜颗粒的烧结，降低互连结构的力学性能以及电气性能。

目录

1 绪 论

1.1 微电子封装发展现状与趋势

1.2 微电子封装材料的无铅化

1.3 Sn基无铅焊料

1.4 不同机理的铜-铜互连工艺

1.5 选题意义及研究内容

2 实验材料与方法

2.1 实验材料的准备

2.2 差热分析法测介质材料的热学性能

2.3 铜-铜互连结构的制备

2.4 铜-铜互连结构电气性能测试

2.5 铜-铜互连结构剪切强度测试

2.6 铜-铜互连结构元素分析

3 溶剂系统对铜-铜互连结构的力学及电学性能的影响

3.1 引言

3.2 不同有机溶剂系统对铜-铜互连结构剪切强度的影响及机理

3.3 不同有机溶剂系统对铜-铜互连结构微观组织结构的影响

3.4 本章小结

4 焊接工艺对铜-铜互连结构的影响规律及机理

4.1 引言

4.2 正交试验优化低温铜-铜互连结构工艺

4.3 焊接工艺对铜-铜互连结构烧结组织的影响及其机理

4.4 本章小结

5 酚醛树脂的添加对铜-铜互连结构的力学及电学性能的影响

5.1 引言

5.2 酚醛树脂的添加对纳米铜介质材料热力学影响

5.3 酚醛树脂的添加对铜-铜互连结构力学性能的影响

5.4 酚醛树脂的添加对铜纳米颗粒烧结的影响

5.5不同酚醛树脂添加量对铜-铜互连结构电学性能的影响

5.6 本章小结

6 全文结论

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录：