Cu丝与镀Au层互连微电阻焊工艺及其可靠性研究

摘要

在微型化、多功能化和高可靠性驱动下，电子器件对高密度封装的需求日趋急迫，焊点尺寸和互连间距不断减小，使得微互连技术面临严峻挑战。在电子器件的互连工艺中，多采用传统的锡焊实现互连。然而传统的锡焊效率低、焊点质量难以控制，存在虚焊、毛刺、拖尾及后续服役过程中金属间化合物持续演变等可靠性隐患，亟需开发一种快速、高可靠性的互连工艺。本文采用平行间隙电阻焊，实现异质互连结构的快速键合，并对其工艺及可靠性进行深入系统的研究。
　　本文首先针对平行间隙电阻焊工艺参数设计了三因素五水平L25(56)正交表，基于焊点拉伸力及剪切力作为评判标准，进行极差分析及方差分析，获得优化工艺参数。通过界面微观组织的演变规律对互连机理进行了分析，通过高低温热冲击、随机振动、高温热老化及通电热老化试验，探究微结构焊点的可靠性及其失效机理。最后对平行间隙电阻焊焊接过程及其随后的可靠性试验进行数值计算，为微互连结构焊点的键合机理及失效机制提供理论依据。
　　研究结果表明：经正交试验分析，焊接最优参数组合为：电极压力0.56N~0.84N，焊接电压：0.45~0.5V；焊接时间：16~20ms。拉伸力可达28g，剪切性能可达187g。随着热输入的增大，接头形貌依次为矩形焊点、“8”字形焊点、矩形焊点、单椭形焊点。铜金结合界面为铜金固溶体，无脆性金属间化合物（IMC）生成，焊点连接良好。在优化参数区间焊点温度低于熔点，互连方式为固相连接；当焊接参数极大时焊点熔化，无熔核生成。经高低温热冲击试验，焊点电阻略微增大，拉伸力基本不变。经高温热老化试验，焊点表面氧化层增加严重，电阻先急剧增大后增速减慢。随机振动试验表明，焊点处铜线均良好未出现断裂。通电热老化180h之后，焊点电阻急剧增大，互连界面边缘出现局部分离，焊点失效。焊接过程有限元计算表明，互连界面中心部位温度最高，最高温度938℃，未达到母材熔点。焊点中心部位电流密度最大，最大应力位于焊点边缘。在高低温热冲击试验中，颈部与界面结合处为薄弱部位。在通电热老化试验中，焊点颈部等效应力最大，电流在颈部与界面结合部位产生塞积，此处最先开始出现焊点失效。在模态分析中，共振主要发生在引线，这是由于引线端部几乎无约束所致。在随机振动分析中，应力最大的位置出现在互连焊点颈部与互连界面相连部位。最大等效应力为0.77MPa，远小于互连焊点失效强度。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究目的

1.2国内外的研究现状

1.3本文的主要研究内容

第2章 实验材料与方法

2.1实验过程概述

2.2实验材料及设备

2.3试样制备及实验方法

2.4本章小结

第3章 焊点工艺试验及力学性能研究

3.1参数对接头形貌的影响

3.2焊点拉伸性能及断口分析

3.3焊点剪切性能及断口分析

3.4优化参数焊点力学性能及焊接电流测量

3.5本章小结

第4章 焊点互连机理与可靠性试验

4.1焊点微观组织及互连机理

4.2互连焊点可靠性研究

4.3本章小结

第5章 焊接过程及焊点可靠性模拟

5.1有限元模型的建立

5.2焊接过程有限元计算

5.3互连焊点可靠性有限元分析

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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