三维封装芯片Cu-In体系固液互扩散低温键合机理研究

摘要

芯片封装已经迈入3D封装的时代,固液互扩散键合法( SLID, Solid-Liquid-Inter-diffusion Bonding)以其独有的优势成为芯片互连中的很有发展前景的一种方法。SLID键合采用低温钎料Sn或In,在较低温度下就可键合,并且由于焊点尺寸小,键合后全部由金属间化合物IMC(Intermetallic Compound,IMC)组成,由于IMC熔点较高,因此可以达到低温键合,高温服役的效果。Cu作为芯片内部互连材料可以实现良好的性能,In的熔点比Sn低很多,可以在更低的温度下实现键合,因此对SLID键合中Cu-In体系的研究具有重要的现实意义。
　　本文首先对Cu-In体系SLID键合焊点的制作工艺进行探讨,优化了镀膜工艺参数,然后对高低两种键合温度下焊点的组织演变进行了分析,并对焊点中出现的裂纹和孔洞等缺陷进行了研究,最后对焊点的剪切性能进行研究,比较了不同工艺参数的焊点剪切性能,并对剪切断口进行分析,确定了断裂模式和断裂位置。
　　研究结果表明:只有200℃键合40min后的焊点未形成全IMC焊点,而260℃、310℃和360℃键合40min后的焊点均形成全IMC焊点。在260℃键合初期焊缝中首先生成Cu11In9相,然后在Cu11In9与Cu的界面处生成Cu2In相,但是其形核长大的速度很慢。在360℃键合初期焊缝中首先生成Cu2In相,随后相变生成Cu7In3相,并且其长大形核的速度非常快,并且Cu7In3相沿Cu2In晶界方向生长更快。在Cu与焊缝界面处会产生可肯达尔孔洞,并且随着键合温度的提高和键合时间的增长而增多增大。在焊缝中还存在纵向贯穿裂纹,这种裂纹多起源于界面处的可肯达尔孔洞。对焊点剪切强度的研究表明Cu2In相的存在就可以增强了焊点的剪切性能,而Cu7In3相的存在并未使焊点剪切强度提升。260℃键合360min焊点中出现的裂纹是由Cu11In9相向Cu2In相转变产生的体积变化导致的。260℃键合的焊点断裂模式主要为解理断裂,且断裂均发生在Cu11In9层。在260℃键合360min的焊点断口中发现了许多舌状花样,可分为两种,第一种表面光滑,断在Cu11In9层,第二种表面是明显的沿晶断裂,断在Cu2In与Cu7In3相的界面处,说明这两相的界面结合力很弱。360℃键合40min和160min的焊点断裂模式主要为解理断裂,且断裂均发生在Cu2In层,都发现了舌状花样。360℃键合360min的焊点一部分为沿晶断裂,发生在Cu2In相与Cu7In3相的界面处,一部分为解理断裂,断裂在Cu7In3层。

目录

三维封装芯片 Cu-In 体系固液互扩散低温键 合机理研究

3D PACKAGE SOLID - LIQUID INTERDIFFUSION CHIP BONDING MECHANISM UNDER LOW TEMPERATURE

摘 要

Abstract

目 录

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 本文主要研究内容

第 2章 实验材料及方法

2.1 实验过程概述

2.2 实验材料

2.3 实验设备及方法

2.4 本章小结

第3章 Cu-In体系SLID键合焊点的制备工艺

3.1焊点结构设计

3.2 薄膜的制备

3.3 薄膜退火工艺

3.4 本章小结

第4章 Cu-In体系SLID键合焊点组织演变

4.1不同键合温度焊点组织成分分析

4.2 不同键合时间焊点组织演变

4.3 界面分布小孔洞及焊缝纵向贯穿裂纹的形成分析

4.4 XRD验证分析焊缝物相组成

4.5 本章小结

第5章 Cu-In体系SLID键合焊点剪切试验及断口分析

5.1 不同键合工艺参数下焊点的剪切性能

5.2 260℃键合长时间焊点出现未焊上区域的机理分析

5.3 剪切断口分析

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

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