三維封裝芯片Cu-In體系固液互擴散低溫鍵合機理研究.pdf

1、芯片封裝已經(jīng)邁入3D封裝的時代,固液互擴散鍵合法( SLID, Solid-Liquid-Inter-diffusion Bonding)以其獨有的優(yōu)勢成為芯片互連中的很有發(fā)展前景的一種方法。SLID鍵合采用低溫釬料Sn或In,在較低溫度下就可鍵合,并且由于焊點尺寸小,鍵合后全部由金屬間化合物IMC(Intermetallic Compound,IMC)組成,由于IMC熔點較高,因此可以達到低溫鍵合,高溫服役的效果。Cu作為芯片內(nèi)部互連

2、材料可以實現(xiàn)良好的性能,In的熔點比Sn低很多,可以在更低的溫度下實現(xiàn)鍵合,因此對SLID鍵合中Cu-In體系的研究具有重要的現(xiàn)實意義。
　　本文首先對Cu-In體系SLID鍵合焊點的制作工藝進行探討,優(yōu)化了鍍膜工藝參數(shù),然后對高低兩種鍵合溫度下焊點的組織演變進行了分析,并對焊點中出現(xiàn)的裂紋和孔洞等缺陷進行了研究,最后對焊點的剪切性能進行研究,比較了不同工藝參數(shù)的焊點剪切性能,并對剪切斷口進行分析,確定了斷裂模式和斷裂位置。

3、>　　研究結(jié)果表明:只有200℃鍵合40min后的焊點未形成全IMC焊點,而260℃、310℃和360℃鍵合40min后的焊點均形成全IMC焊點。在260℃鍵合初期焊縫中首先生成Cu11In9相,然后在Cu11In9與Cu的界面處生成Cu2In相,但是其形核長大的速度很慢。在360℃鍵合初期焊縫中首先生成Cu2In相,隨后相變生成Cu7In3相,并且其長大形核的速度非?？?并且Cu7In3相沿Cu2In晶界方向生長更快。在Cu與焊縫界面

4、處會產(chǎn)生可肯達爾孔洞,并且隨著鍵合溫度的提高和鍵合時間的增長而增多增大。在焊縫中還存在縱向貫穿裂紋,這種裂紋多起源于界面處的可肯達爾孔洞。對焊點剪切強度的研究表明Cu2In相的存在就可以增強了焊點的剪切性能,而Cu7In3相的存在并未使焊點剪切強度提升。260℃鍵合360min焊點中出現(xiàn)的裂紋是由Cu11In9相向Cu2In相轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的體積變化導致的。260℃鍵合的焊點斷裂模式主要為解理斷裂,且斷裂均發(fā)生在Cu11In9層。在260℃鍵

5、合360min的焊點斷口中發(fā)現(xiàn)了許多舌狀花樣,可分為兩種,第一種表面光滑,斷在Cu11In9層,第二種表面是明顯的沿晶斷裂,斷在Cu2In與Cu7In3相的界面處,說明這兩相的界面結(jié)合力很弱。360℃鍵合40min和160min的焊點斷裂模式主要為解理斷裂,且斷裂均發(fā)生在Cu2In層,都發(fā)現(xiàn)了舌狀花樣。360℃鍵合360min的焊點一部分為沿晶斷裂,發(fā)生在Cu2In相與Cu7In3相的界面處,一部分為解理斷裂,斷裂在Cu7In3層。