取向铜、镍镀层对键合界面反应的影响

摘要

随着微电子产品向高密度、窄间距、短路径的趋势发展，应用于三维叠层封装的互连焊点尺寸也显著减小。铜凸点由于具有良好机械性能和电学性能，被认为可代替传统的焊球微凸点，用于细节距高深宽比的高密度封装技术中。在微小化条件下，单个凸点所含晶粒减少导致其晶体学取向对键合界面反应的影响愈发明显，显著影响界面金属间化合物的形核与生长。
　　目前对于晶体学取向对键合界面反应的影响的研究多基于单晶基板，而单晶基板的制作不易、成本高昂，实际应用中多应用电沉积多晶凸点。因此，明确电沉积工艺参数对于镀层择优取向的影响以及镀层织构对于界面金属间化合物生长的影响有着深刻的意义。为此，本课题探究镀液添加剂、电流密度、脉冲电镀等对于薄膜晶向择优性的影响。通过电沉积制备出具有两种不同择优取向的铜薄膜和镍薄膜，观察和研究不同择优取向铜和锡及镍和锡的键合界面反应，系统研究了镀层晶体学择优取向对金属间化合物生长的影响。
　　在电沉积过程中，通过控制添加剂、电流密度、电源类型等电沉积条件可以获得具有特定择优取向的铜薄膜和镍薄膜。添加剂P-68使得铜薄膜择优取向明显表现为(220)方向。随着电流密度的升高，镍薄膜晶粒择优取向由(111)方向逐渐转为(200)方向。在直流条件下镍薄膜（200）晶面表现为明显的择优取向，脉冲条件下使（111）晶面开始表现出一定的择优性。
　　原子在不同晶面扩散系数不同，当镀层取向存在择优性时，原子在其中的扩散也表现出各向异性。加之与固-液反应（回流）相比，决定固-固界面反应（时效）速率及生成物形貌的是反应原子的扩散速率。由于原子的扩散速率具有各向异性，因此在择优取向不同的镀层中具有不同的扩散速率，从而影响了界面反应产物的形貌和生长速率。(200)晶面上的原子排列比(220)晶面更为密排，因而原子在(200)晶面扩散更困难，扩散系数小于其在(220)晶面。Cu(200)-Sn界面处IMCs晶粒存在明显的小刻面，小刻面呈不同角度排列形成多边形花纹，且在晶粒间形成细小的孔，而在Cu(220)-Sn界面并未有类似现象。Cu3Sn优先形核与Cu(220)-Cu6Sn5界面，在晶界处存在优先形核长大的现象。
　　Ni(220)-Sn界面处形成厚度相同大小不一的薄片状 IMCs，而Ni(200)-Sn界面处的IMCs则呈等轴块状且晶粒大小均匀。Ni(220)-Sn界面薄片状IMCs中Ni/Sn原子比大于Ni(200)-Sn界面处的IMCs，时效反应充分进行时，两种 IMCs中的Ni/Sn原子比例均发生变化达到3:4，即形成常见的镍锡金属间化合物 Ni3Sn4。长时间时效，IMCs层持续生长，不断地消耗中间的锡镀层生成大块状金属间化合物，甚至可以消耗区别Sn层从而贯穿整个界面，此时Ni(220)-Sn界面处的IMCs组织松散出现孔洞与裂缝，这将影响键合界面的机械性能和电学性能。

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第一章 绪论

1.1 电子封装技术的发展概况

1.2 应用于三维叠层封装的微凸点键合

1.3 铜-锡及镍-锡界面反应

1.4 本文的研究目的和研究内容

第二章 取向铜薄膜及镍薄膜电沉积工艺研究

2.1 引言

2.2 实验原理及实验方法

2.3 电沉积工艺对薄膜晶粒取向的影响

2.4 本章小结

第三章 铜镀层择优取向对铜-锡键合界面反应影响研究

3.1 引言

3.2 实验方法

3.3 铜-锡界面反应微观形貌分析

3.4 铜-锡界面反应机理分析

3.5 本章小结

第四章 镍镀层择优取向对镍-锡键合界面反应影响研究

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3 镍镀层择优取向对镍-锡键合界面反应的影响

4.4 本章小结

第五章 全文总结和研究展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文