论文部分内容阅读
3D封装技术的发展使微凸点互连尺度持续减小,封装制造和服役过程中凸点互连结构内原子扩散与交互作用加剧,使界面反应生成的界面金属间化合物（Intermetallic Compounds,IMCs）所占焊点/凸点比例增加,界面特性对互连结构可靠性的影响更加显著,亟需寻求新材料、新互连结构应用到微米尺度三维封装技术中。（111）择优取向纳米孪晶Cu（Nanotwinned Cu,nt-Cu）因其具有优异的力学、电学性能,特别是独特的界面反应特性,被视为是一种新型的三维封装互连材料,其界面反应特性与可靠性亟需系统深入研究。本论文以新型（111）择优取向纳米孪晶Cu作为凸点下金属化层（Under Bump Metallization,UBM）,研究了钎焊温度、初始Cu6Sn5晶粒形貌、交互作用对微焊点界面金属间化合物形核、长大、微观组织及力学性能的影响;采用同步辐射技术,原位表征了（111）nt-Cu UBM高温、高电流密度下的溶解行为;在（111）nt-Cu UBM上利用电流驱动键合（Current Driven Bonding,CDB）方法制备出具有择优取向的全IMC焊点,并评价其力学可靠性。本论文主要研究结果如下:1.钎焊温度对（111）nt-Cu UBM界面反应特性及微焊点剪切性能的影响规律表明:钎焊温度为300 ℃时,（1120）择优取向的屋脊状Cu6Sn5晶粒随机排布在（111）nt-Cu/Sn界面,其微焊点的平均剪切强度为40.2 MPa;钎焊温度为250 ℃时,随机取向的扇贝状Cu6Sn5晶粒排布在（111）nt-Cu/Sn界面,其微焊点平均剪切强度仅为31.1 MPa。2.两种不同初始形貌的界面Cu6Sn5晶粒对后续（111）nt-Cu/纯Sn钎料的界面反应的影响规律表明:在相同反应温度（300 ℃）条件下,当初始Cu6Sn5晶粒形貌为屋脊状时,焊点中界面Cu6Sn5晶粒生长缓慢,平均厚度较小（反应时间延长至20 min,界面Cu6Sn5层厚度为6.1μm）,界面Cu6Sn5晶粒的晶体取向由初始的[1120]逐渐向[0001]方向转变,其形貌由初始的屋脊状逐渐向扇贝状+小平面形貌转变;而当初始Cu6Sn5晶粒形貌为扇贝状时,焊点中界面Cu6Sn5生长较快,平均厚度较大（反应时间延长至20min,界面Cu6Sn5层厚度为7.2μm）。这是由于界面屋脊状Cu6Sn5晶粒的平均直径较大,晶界面积较小,基体Cu原子经晶界扩散进入焊点中的扩散通量较小,从而影响后续界面反应中界面Cu6Sn5金属间化合物晶粒的生长动力学、形貌及晶体取向的演变。3.多晶Cu与（111）择优取向纳米孪晶Cu基体的交互作用对微焊点界面反应特性及剪切性能的影响规律表明:（111）nt-Cu/Sn/多晶Cu微焊点中（111）nt-Cu侧界面IMC Cu6Sn5的平均生长速率（1.44μm/min）远大于多晶Cu侧界面IMC Cu6Sn5平均生长速率（0.25μm/min）,即在微焊点中出现了两侧界面IMCs非对称生长的现象。这是由于（111）nt-Cu、多晶Cu两种基体向液态钎料中溶解的速率不同,在微焊点中形成了由（111）nt-Cu基体侧指向多晶Cu基体的Cu原子浓度梯度,驱使Cu原子从多晶Cu侧向（111）nt-Cu侧扩散迁移（Cu原子浓度梯度通量A）,导致（111）nt-Cu侧界面Cu6Sn5的生长速率增加,同时（111）nt-Cu界面上的屋脊状（1120）择优取向Cu6Sn5晶粒快速转变为随机取向的扇贝状和小平面状Cu6Sn5晶粒;相应地,多晶Cu侧界面IMCs生长缓慢。随着界面IMCs厚度及形貌特征的转变,微焊点的断裂模式由最初的韧性断裂转变为韧性+脆性断裂,并且其平均剪切强度也由42.0 MPa下降到30.4 MPa。4.（111）nt-Cu作为UBM对固-固界面反应过程中IMCs生长、柯肯达尔孔洞的生成及液-固电迁移中阴极溶解行为的影响规律表明:150 ℃高温时效100 h,（111）nt-Cu/Sn界面IMCs厚度（3.04μm）比多晶Cu/Sn界面IMCs厚度小27%（4.18μm）;即使在150 ℃高温时效900 h,（111）nt-Cu/Sn界面仍然没有观察到柯肯达尔孔洞的生成;在300 ℃,1.0×10~4 A/cm~2电流密度条件下,（111）nt-Cu做阴极时的溶解速率（2.0μm/min）比多晶Cu做阴极时的溶解速率（2.4μm/min）降低了20%。这是由于（111）nt-Cu基体具有最低的表面能、大量的孪晶界及三叉点（孪晶界与柱状Cu晶界的交点）,从而抑制了IMCs的生长、柯肯达尔孔洞的生成及高温电迁移作用下UBM的溶解。5.以（111）择优取向纳米孪晶Cu作为UBM材料,利用电流驱动键合的方法制备出择优取向的全IMC焊点:在300 ℃,1.0×10~4 A/cm~2电流密度条件下,阳极基体上的屋脊状Cu6Sn5晶粒保持择优取向并加速生长,生长速率达到4.6μm/min,是无电流驱动条件下（111）nt-Cu/Sn界面IMCs晶粒生长速率的20倍;由于阴极的持续溶解,阴极基体上屋脊状Cu6Sn5晶粒转变为随机取向的扇贝状,生长速率仅达到0.2μm/min;最后,在电流驱动与熟化的共同作用下,最终合并形成（1120）择优取向全IMC焊点。其平均剪切强度为58.4 MPa。