无铅软钎料焊点界面Cu6Sn5相的生长动力学机制研究

摘要

随着半导体工业的进步,电子器件逐渐向小型化、集成化和多功能化的方向发展。为了将器件整合到体积最小且功能最佳的状态,多层芯片间用于互连的微凸点及引线框架的特征尺寸必将急剧降低,可以预见的是在不久的将来我们必然会面临诸多可靠性方面的挑战。另一方面,出于对环境保护和能源效能方面的考虑,无铅钎料及 Cu基引线成为现阶段最为重要的凸点互连材料。一般来说,一层金属间化合物薄层将会在Sn/Cu界面处形成以保证凸点的互连可靠性,然而过多的化合物生长也会引发界面失效问题,尤其是当化合物层厚度占互连凸点整体体积比不断上升的今天,其生长机制及动力学方面的研究将显得尤为关键。尽管界面金属间化合物的生长动力学机制研究已经进行多年,但是由于其生长行为过于复杂而所处界面环境也极其多变,所以界面化合物的生长机制及动力学方面的研究进展极为缓慢。基于以上原因,本文以Sn/Cu界面最为主要的金属间化合物Cu6Sn5相为例,深入阐述其不同生长时期的动力学机制问题,以期实现控制界面化合物生长、改善互连凸点界面可靠性的目地。
　　通过对润湿反应过程中均质形核阶段Cu6Sn5相的生长动力学研究,本文提出六方棒状生长行为是Cu6Sn5相的禀性生长行为,而Cu元素的供应机制是实现其禀性生长的关键。进而,依据Cu6Sn5相的六方棒状形貌,本文构建了Cu6Sn5相的生长动力学方程,并由此方程确立了影响Cu6Sn5相禀性生长的控制因素。通过对润湿反应过程中异质形核阶段Cu6Sn5相的生长动力学研究,本文论证了界面处Cu6Sn5相的生长仍然具有六方棒状生长习性,而Cu基底的织构取向对Cu6Sn5相的形核及长大具有决定性作用。其次,本文首次发现了Cu6Sn5相的界面生长存在晶界迁移行为。之后,通过详细的动力学分析,本文阐述了晶界迁移行为与熟化行为一样都是影响Cu6Sn5相界面生长的核心机制。基于以上研究, Cu6Sn5相在润湿反应过程中的生长动力学机制问题得到了解决。通过对服役过程中Cu6Sn5相的生长动力学研究,本文提出时效生长并不会恶化Cu6Sn5相自身的界面力学性能,而Cu6Sn5相的多晶型相变才是其晶界裂纹萌生进而产生界面力学失效的主要原因。此外,本文还首次提出了阴极Cu6Sn5相的晶粒剥离机制,并且认为该机制是凸点阴极界面电迁移失效的关键之一。根据以上研究,Cu6Sn5相在服役过程中主要的动力学失效问题得到了解决。最后,我们还研究了Cu6Sn5相作为功能材料的三种应用方法。希望通过本文,使读者对界面Cu6Sn5相的生长动力学机制有更为深入的认识。

目录

无铅软钎料焊点界面Cu6Sn5相的生长动力学机制研究

GROWTH KINETICS AND MECHANISMS OF INTERFACIAL Cu6Sn5 PHASE FORMED IN LEAD-FREE SOLDER JOINTS

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2界面Cu6Sn5相的生长行为研究进展

1.2.1界面主要扩散元素分析

1.2.2等温时效过程中Cu6Sn5相的生长行为

1.2.3润湿反应过程中Cu6Sn5相的生长行为

1.2.4电致迁移过程中Cu6Sn5相的生长行为

1.3界面Cu6Sn5相的生长动力学研究进展

1.3.1固态时效过程中Cu6Sn5相的动力学模型

1.3.2润湿反应过程中Cu6Sn5相的动力学模型

1.3.3电迁移过程中Cu6Sn5相的动力学模型

1.4 本文的主要研究内容

第2章 润湿反应过程中Cu6Sn5相均质形核时的生长动力学机制

2.1 引言

2.2 均质形核时Cu6Sn5相的六方棒状生长行为

2.2.1 实验设计

2.2.2 实验现象及结论

2.2.3 平衡态形貌研究

2.2.4 生长机制分析

2.3 均质形核时Cu6Sn5相的生长动力学模型

2.3.1 驱动力与临界晶核

2.3.2 生长控制机制

2.4 本章小结

第3章 润湿反应过程中Cu6Sn5相异质形核时的生长动力学机制

3.1 引言

3.2 异质形核时界面Cu6Sn5相的六方棒状生长行为

3.2.1 实验设计及现象

3.2.2 界面Cu6Sn5相的六方棒状织构的形核过程

3.2.3 界面Cu6Sn5相的六方棒状织构的长大过程

3.2.4 小节

3.3异质形核时界面Cu6Sn5相的晶界迁移行为

3.3.1 界面Cu6Sn5相晶界迁移行为的存在性

3.3.2 界面Cu6Sn5相晶界迁移行为对晶粒生长的影响

3.4 本章小结

第4章 服役过程中Cu6Sn5相的生长动力学机制

4.1 引言

4.2 时效过程中界面Cu6Sn5相的生长动力学机制分析

4.3 服役过程中界面Cu6Sn5相的相变动力学机制分析

4.3.1 Cu6Sn5相表面的多晶型相变研究

4.3.2 Cu6Sn5相内部的多晶型相变研究

4.3.3多晶型相变对界面可靠性的影响

4.4 服役过程中界面Cu6Sn5相的电迁移动力学机制分析

4.4.1实验设计及现象

4.4.2钎料基体的取向扩散及自扩散

4.4.3阴极界面的Cu6Sn5相的剥离与溶解行为

4.4.4阳极界面的Cu6Sn5相的形核与生长行为

4.5 本章小结

第5章 界面Cu6Sn5相的生长动力学机制的应用

5.1 引言

5.2 Cu6Sn5相单晶层的应用基础

5.2.1制备Cu6Sn5相单晶凸点下金属化层

5.2.2制备Cu6Sn5相单晶高温无铅凸点

5.3 Cu6Sn5相多晶层的应用基础

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历