温度梯度对微焊点界面反应及晶粒取向的影响

摘要

随着电子器件集成度的不断提高，电子封装互连焊点尺寸持续减小。一方面，使得钎焊液-固界面反应受钎焊条件及原子扩散的影响更加显著，焊点在一定温度梯度下发生的金属原子定向热迁移行为及其对钎焊液-固界面反应的影响亟需阐明;另一方面，导致Sn基无铅微焊点在经历钎焊回流工艺后的晶粒个数迅速减少，仅形成几个甚至一个晶粒，由有限个数晶粒引起的各向异性问题使得微焊点的服役性能及可靠性面临严峻挑战，如何制备出晶粒形貌及取向可控的微焊点阵列成为先进封装制造中的关键问题。因此，在电子封装微型化发展趋势下，深入研究微焊点的钎焊液-固界面反应行为、晶粒取向控制技术及相关机理，具有广泛的理论研究和实际应用价值。
　　本论文通过实验设计在焊点中形成一定温度梯度，采用同步辐射原位观察技术和电子背散射衍射技术等手段，系统研究了钎焊回流过程中焊点在温度梯度作用下的热迁移行为，深入分析了温度梯度对焊点钎焊界面反应及晶粒取向的影响规律和作用机制，提出了利用温度梯度快速制备全金属间化合物(IMC)焊点及调控焊点晶粒取向的方法。主要研究结果总结如下:
　　1.Cu/Sn/Cu焊点在温度梯度作用下，Cu原子持续从热端向冷端热迁移，导致焊点冷、热两端界面IMC呈现非对称性演变，即冷端界面Cu6Sn5生长受到促进而持续快速生长，热端界面Cu6Sn5生长受到抑制而溶解受到促进，达到临界厚度后IMC生长与溶解处于动态平衡，厚度基本不变。同时，冷端Cu基体消耗较少，而热端Cu基体消耗严重。基于Cu原子迁移通量提出了温度梯度下界面IMC生长模型，较好地解释了Cu6Sn5的生长和溶解规律，并可预测热端界面Cu6Sn5的临界厚度。
　　2.由于温度梯度驱动Cu原子持续向冷端热迁移及Cu6Sn5晶粒生长的各向异性，导致多晶Cu/Sn/Cu焊点冷端快速形成的界面Cu6Sn5晶粒具有较强的织构特征，其<0001>晶向趋于与温度梯度平行的方向择优;并且当单晶(111)Cu作为冷端金属基体时，冷端规则棱晶状Cu6Sn5持续外延生长且具有强烈的织构特征，其<1120>晶向趋于与温度梯度平行的方向择优。同时，发现由于β-Sn晶粒的生长也具有各向异性，导致焊点在一定温度梯度下凝固时形成择优取向的β-Sn晶粒。
　　3.钎料中添加Zn元素可显著抑制热迁移引起的热端金属基体消耗及冷端IMC快速生长，而Ag元素对焊点热迁移行为无明显影响;揭示了添加Zn元素提高焊点液-固热迁移抗力的机理及界面Sn-Zn IMC层的脱落机制。
　　4.温度梯度下制备全IMC焊点时，热端金属基体原子大量热迁移到冷端，加速界面反应的进程，全IMC焊点制备时间远短于传统等温工艺;并且对于Cu/Sn/Ni制备全IMC焊点时，在热迁移与Cu-Ni交互耦合作用下，可通过改变外加温度梯度的大小和方向，以调控反应形成的IMC类型、成分和制备时间。另外，当单晶(111)Cu作为Cu/Sn/Cu焊点冷端金属基体时，在热迁移作用下冷端Cu6Sn5持续外延生长，可形成规则形貌且具有强烈织构特征的全IMC焊点。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 微电子封装技术

1．2 互连焊点钎焊液-固界面反应

1．2．1 液-固界面反应概述

1．2．2 液-固界面反应新问题

1．3 互连焊点晶粒各向异性问题

1．4 互连焊点热迁移行为

1．4．1 热迁移现象概述

1．4．2 微焊点热迁移行为

1．5 同步辐射成像技术及其在封装互连研究中的应用

1．6 本文主要研究内容

2样品制备与实验方法

2．1 焊点制备

2．2 焊点温度梯度下回流实验

2．2．2 同步辐射原位观察实验

2．3 焊点钎料温度场模拟

2．3．1 焊点温度场模拟计算模型

2．3．2 焊点温度场模拟计算结果

2．4 界面IMC形貌及取向表征

3 温度梯度对焊点界面Cu6Sn5生长及溶解行为的影响

3．1 引言

3．2 温度梯度对界面Cu6Sn5生长行为的影响

3．2．2 温度梯度下焊点液-固界面Cu6Sn5生长行为

3．2．3 界面Cu6Sn5生长动力学分析

3．2．4 温度梯度作用下界面Cu6Sn5生长机制

3．2．5 同步辐射原位观察Cu／Sn／Cu焊点热迁移行为

3．3 温度梯度对界面Cu6Sn5溶解行为的影响

3．3．1 同步辐射原位观察界面Cu6Sn5溶解行为

3．3．2 温度梯度作用下Cu6Sn5溶解动力学

3．3．3 温度梯度作用下热端Cu6Sn5临界厚度

3．4 本章小结

4温度梯度对Sn-Zn焊点界面反应的影响

4．1 引言

4．2．1 同步辐射原位观测Cu／Sn-9Zn／Cu焊点热迁移行为

4．2．2 焊点微观形貌及晶粒取向分析

4．2．3 界面IMC生长及Cu基体溶解动力学

4．2．4 焊点热端界面Cu5Zn8脱落行为分析

4．2．5 元素Zn的传递热(Q*)计算

4．3．1 等温钎焊回流时Cu／Sn-9Zn／Ni焊点微观形貌演变

4．3．2 温度梯度下钎焊反应时Cu／Sn-9Zn／Ni焊点微观形貌演变

4．3．3 焊点界面Cu5Zn8生长及Cu基体溶解

4．4 温度梯度对Cu／Sn-xZn／Cu焊点界面反应的影响

4．4．1 同步辐射原位观察Cu／Sn-xZn／Cu焊点热迁移行为

4．4．2 焊点界面IMC生长及Cu基体溶解动力学分析

4．4．3 Zn元素抑制Cu基体溶解的机理分析

4．5 本章小结

5温度梯度下制备全IMC焊点研究

5．1 引言

5．2 温度梯度下Ni／Sn／Ni瞬态液相焊研究

5．2．1 同步辐射原位观测Ni／Sn／Ni焊点微观形貌变化

5．2．2 Ni3Sn4生长与Ni基体溶解动力学分析

5．2．3 窄间距全IMC焊点制备

5．3 温度梯度下Cu／Sn／Ni瞬态液相焊研究

5．3．1 热迁移与Cu-Ni交互耦合作用对焊点界面反应的影响

5．3．2 同步辐射原位观测Cu／Sn／Ni焊点热迁移行为

5．4 本章小结

6温度梯度对焊点晶粒取向的影响

6．1 引言

6．2 温度梯度对单晶(111)Cu／Sn界面Cu6Sn5晶粒取向的影响

6．2．1 温度梯度作用下Cu6Sn5持续外延生长行为

6．2．2 温度梯度下制备择优取向全IMC焊点

6．3 温度梯度对Cu／SAC305／Cu焊点β-Sn晶粒取向的影响

6．3 本章小结

7结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介