Cu-Sn化合物电流辅助定向生长与微焊点瞬态键合机理

摘要

信息、能源、空间探测等领域不断要求功能更强、尺寸更小、可靠性更高的微电子器件。三维（3D）封装技术作为新一代信息技术产业的重点发展领域，不仅使电子产品尺寸大幅度减少，性能大幅度提高，更使元件之间的互连长度从厘米级减少到亚微米级，相应的微互连方法也将发生革命性变化。在“低温连接、高温服役”的目标驱动下，全金属间化合物（IMCs）焊点实现3D封装叠层芯片互连引发高度关注，但传统的整体加热互连工艺，键合时间长、施加压力大等工艺特点为器件带来可靠性隐患。因此，如何快速、高效地制备可靠的全IMCs微焊点是3D封装叠层芯片互连技术中亟待解决的问题之一。
　　本论文基于电流焦耳热效应和电迁移促进金属原子固-液互扩散的原理，通过施加104A/cm2量级的电流密度载荷，能够在毫秒级时间内实现IMCs定向生长的 Cu-Sn微焊点键合，为3D封装叠层芯片互连提供了一种快速、高效的新连接方法。通过试验和理论分析相结合的方法，详尽地阐述了全Cu-Sn IMCs焊点电流辅助瞬态键合的相关机理、界面 IMCs形貌演变规律、Cu/Sn界面固-液电迁移机制以及定向电流作用下Cu-Sn IMCs晶粒择优生长的原理，并对瞬态键合后微焊点的力学性能做出了评估。
　　根据3D叠层芯片互连结构特点，分别设计了平行电极型和对接电极型两种电流辅助瞬态键合模式。在平行电极模式下，通过对键合压力、时间、电流密度载荷以及中间 Sn钎料厚度等参数的优化，在0.16MPa、电流密度载荷1.5×104A/cm2条件下键合200ms后制备了无孔洞等缺陷的目标全Cu3Sn焊点；同时，对接电极模式下基于对键合温度的调控，在不同电流密度载荷条件下键合180ms后制备了三种不同类型的全Cu-Sn IMCs焊点。
　　利用选择性化学腐蚀的方法对电流辅助瞬态键合界面 IMCs三维形貌微观组织进行分析发现：随键合时间的增加，固-液界面成分过冷程度加大，界面Cu6Sn5形貌将由胞状晶依次向胞状树枝晶、柱状树枝晶转变，当键合温度超过Cu6Sn5熔点，树枝晶 Cu6Sn5熔化并演变为自由树枝晶的 Cu3Sn，最终 Sn钎料消耗完毕形成全Cu3Sn微焊点。MATLAB求解熔融钎料中Cu原子总量的计算结果表明，较高温度下的 Cu原子固-液电迁移可以在毫秒量级时间内为生成全Cu3Sn微焊点提供充足的Cu原子。该Cu3Sn焊点织构具有高度的定向特征，在电流载荷下焊点中的Cu3Sn晶粒均倾向于沿着[100]晶向择优生长，通过量子力学理论分析和投影面原子密度计算，证明 Cu3Sn的[100]方向为电阻较小路径。此外，剪切试验表明，焊点内部IMCs的形貌、物相种类、成分比将对力学性能影响显著，随着键合时间和电流载荷的增加剪切强度随之升高，定向生长的全Cu3Sn焊点的剪切强度可以达到67.6MPa，约是键合初期Sn基焊点的2.3倍。
　　在电流密度量级为102A/cm2、较低温度条件下的固-液电迁移试验表明，通电初期，固-液电迁移促进阳极一侧Cu6Sn5的生长，而抑制阴极一侧的生长，呈现明显的极性效应。随后的生长动力学分析表明，相比于界面反应中的晶界扩散和体扩散，Cu溶质原子的固-液电迁移在阳极Cu6Sn5的生长中起到主导作用，且阳极 Cu6Sn5平均厚度与时间呈直线关系。同时，固-液电迁移外延生长的Cu6Sn5晶粒取向分析表明，生长初期的 Cu6Sn5倾向于沿着电阻路径最小的[0001]方向择优生长，随着电流密度载荷的增加，Cu6Sn5沿着[0001]方向定向生长的趋势更加明显。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及选题意义

1.2 三维封装叠层芯片键合方法和机理

1.3 Cu-Sn微焊点晶粒取向调控

1.4 电流作用下Cu/Sn界面反应机制

1.5 本文的主要研究内容

第2章 试验材料及方法

2.1 电流作用下微焊点瞬态键合模型及理论可行性分析

2.2 电流作用下微焊点瞬态键合设备及焊点制备方法

2.3 电流作用下Cu/Sn固-液界面反应机制研究方法

2.4 微焊点微观组织分析测试方法

2.5 微焊点晶粒取向及力学性能测试方法

第3章 电流作用下微焊点瞬态键合方法

3.1 引言

3.2 平行电极型瞬态键合模式

3.3 对接电极型瞬态键合模式

3.4 本章小结

第4章 电流作用下Cu-Sn化合物微焊点形貌及瞬态键合机理

4.1 引言

4.2 不同电流密度下界面IMCs三维形貌演变规律

4.3 全IMCs焊点瞬态键合机理分析

4.4 本章小结

第5章 电流作用下Cu/Sn固-液界面反应动力学

5.1 引言

5.2 电流作用下固-液界面Cu6Sn5的非对称生长

5.3 电流作用下Cu/Sn/Cu焊点微观组织演变规律

5.4 界面Cu6Sn5和Cu3Sn厚度分析

5.5 电流作用下固-液界面IMCs生长动力学分析

5.6 本章小结

第6章 电流辅助Cu-Sn IMCs定向生长及微焊点力学性能

6.1 引言

6.2 电流辅助Cu3Sn定向生长

6.3 电流辅助Cu6Sn5定向生长

6.4 电流作用下瞬态键合微焊点剪切性能分析

6.5 本章小结

结论

论文创新点：

展望与设想：

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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