三維封裝芯片固液互擴(kuò)散低溫鍵合機(jī)理研究.pdf

1、微電子技術(shù)發(fā)展己進(jìn)入集成系統(tǒng)芯片和模塊芯片時(shí)代，微芯片對(duì)互連技術(shù)提出了高密度互連和高信號(hào)傳輸率的要求，三維立體封裝技術(shù)能在高度上實(shí)現(xiàn)多層芯片模塊化封裝，使體積大大減少的同時(shí)會(huì)使芯片內(nèi)部的互連點(diǎn)變得更小，幾個(gè)¨m厚的互連焊點(diǎn)在服役過(guò)程中由于芯片的發(fā)熱會(huì)轉(zhuǎn)變成全金屬間化合物(Intermetallic Compound，IMC)，所以對(duì)穩(wěn)定的全I(xiàn)MC焊點(diǎn)工藝及組織的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　針對(duì)全I(xiàn)MC焊點(diǎn)的制備和組織演化以及三維

2、封裝體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了一系列研究：固液互擴(kuò)散低溫鍵合參數(shù)優(yōu)化；焊點(diǎn)內(nèi)金屬間化合物演變機(jī)制及生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)；EBSD測(cè)試技術(shù)對(duì)不同鍵合階段焊點(diǎn)處晶粒分布情況以及各相之間的界面邊界進(jìn)行分析；對(duì)鍵合過(guò)程中3D封裝芯片產(chǎn)生的熱應(yīng)力進(jìn)行模擬與評(píng)估，進(jìn)而優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)。
　　研究結(jié)果表明：在合適的鍵合工藝參數(shù)下可獲得全I(xiàn)MC的CU3Sn焊點(diǎn)，焊點(diǎn)內(nèi)部存在蜂窩狀孔隙的原因是釬料填充不足和Cu-Sn反應(yīng)的體積效應(yīng)；分析了不同鍵合溫度和鍵合時(shí)間下焊點(diǎn)

3、微觀組織的演變過(guò)程，闡述了“Sn島”的形成機(jī)理；對(duì)接焊點(diǎn)內(nèi)Cu6Sn5整體上呈扇貝狀，以表面小晶粒長(zhǎng)大、融合、包覆的方式增長(zhǎng)，當(dāng)焊點(diǎn)兩側(cè)Cu6Sn5晶粒相接時(shí)融合成一個(gè)大晶粒； CU3Sn晶粒呈簇狀柱狀晶的分布趨勢(shì)，Cu6Sn5的晶粒取向不同導(dǎo)致了在其內(nèi)部生長(zhǎng)的簇狀CU3Sn晶粒生長(zhǎng)方向不同，CU3Sn晶粒橫斷面尺寸范圍1～3μm,在全I(xiàn)MC焊點(diǎn)內(nèi)存在焊頭兩側(cè) CU3Sn相接時(shí)形成的晶界線；提取了不同鍵合溫度下的Sn、Cu6Sn5和CU

4、3Sn的厚度，修正Cu6Sn5的厚度并擬合發(fā)現(xiàn)Cu6Sn5的增長(zhǎng)更符合熔融通道控制模型，而 CU3Sn的增長(zhǎng)符合體擴(kuò)散控制模型，兩種IMC的生長(zhǎng)速率常數(shù)隨溫度的升高而增大；3D封裝的有限元模型中銅柱及焊點(diǎn)的第一主應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)在底層外部邊緣拐角處，芯片應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)在通孔內(nèi)表面；熱循環(huán)過(guò)程中焊點(diǎn)應(yīng)力呈穩(wěn)定的周期性變化趨勢(shì)；數(shù)值正交實(shí)驗(yàn)顯示封裝體結(jié)構(gòu)參數(shù)中填充樹(shù)脂的厚度對(duì)焊點(diǎn)的應(yīng)力的影響最大，影響適中的是芯片厚度，最弱的是填充樹(shù)脂的硬度。