【摘 要】
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在过去的几十年里,电子器件朝高密度、高集成化发展,推动了微电子产业的不断发展与壮大。键合技术作为电子封装技术的核心,起着电气连接、机械支撑、尺寸过渡和散热通道的性能。传统熔融键合因工艺温度较高,熔融焊料的溢出以及有残余热应力的存在等原因,严重影响封装密度和产品可靠性。所以亟需开发与后续电子器件加工工艺匹配,不破坏电子器件性能的低温键合技术。因此,适合3D叠层封装的新型低温键合技术成为重点研发内容。
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在过去的几十年里,电子器件朝高密度、高集成化发展,推动了微电子产业的不断发展与壮大。键合技术作为电子封装技术的核心,起着电气连接、机械支撑、尺寸过渡和散热通道的性能。传统熔融键合因工艺温度较高,熔融焊料的溢出以及有残余热应力的存在等原因,严重影响封装密度和产品可靠性。所以亟需开发与后续电子器件加工工艺匹配,不破坏电子器件性能的低温键合技术。因此,适合3D叠层封装的新型低温键合技术成为重点研发内容。针对这一发展趋势,结合本课题组自主开发的Cu微纳米针锥,成功实现了在大气环境下的嵌入式低温固态互连。该嵌入式低温键合工艺简单、避免了焊料溢出以及无需助焊剂等优点。但该方法尚存在诸多缺陷:Cu微纳米针锥在键合过程中易氧化、硬度低、键合质量差和界面有孔洞等问题,直接影响了该技术的应用潜力。本文设计了一种表面功能薄膜修饰的Cu微纳米针锥与焊料的键合方法,提高了Cu微纳米针锥表面硬度和抗氧化性,消除了界面凹陷处形成的孔洞,键合界面的可靠性与质量得到提升。全文系统地研究了功能薄膜修饰后的Cu微纳米针锥抗氧化效果;深入地探讨了键合工艺、键合界面可靠性以及界面孔洞闭合等因素对键合效果的影响。具体研究内容及主要结论如下:1、通过对Ag修饰的Cu微纳米针锥与焊料低温固态键合进行了研究,解决了未修饰的Cu微纳米针锥键合过程中出现的氧化、孔洞等问题。论证了Ag修饰后的Cu微纳米针锥表面氧化膜厚度随温度和时间的延长而增加,氧化膜生长速率遵从对数规律,高温下Ag薄膜具有明显的抗氧化效果。键合实验中,Ag修饰的Cu微纳米针锥整体表现好于未修饰的Cu微纳米针锥,焊点平均剪切强度随着Ag修饰层厚度的增加而增加。这是因为软Ag层填平了Cu微纳米针锥凹陷处的一些孔隙,使得界面孔洞消失。对焊球剪切测试获得的断口和界面扩散反应机制进行了研究。发现焊球受剪切呈滚动趋势,随着剪切力的增大,焊点发生塑性变形直至发生破坏,呈现出基体内的纯韧性断裂现象。比较了Sn/Ag/Cu针锥与Sn/Ag/平面Cu扩散偶在190°C热处理下的界面扩散行为。研究二者扩散偶中的金属间化合物（IMC）形貌及其生长动力学发现,Cu微纳米针锥形成的IMC晶粒更细,生长激活能更低,符合对数生长规律,其扩散行为由晶界扩散和体扩散共同控制,这有利于键合过程快速形成连接,实现具有更强可靠性的互连。2、高耐蚀、高硬度、防扩散的Ni-W合金修饰的Cu微纳米针锥保持相当好的抗氧化性能和较高的硬度值,研究了其与焊料的低温固态键合,从另一个角度考虑,解决了裸露的Cu微纳米针锥键合过程中出现的硬度低、易氧化、出现孔洞等问题。纳米压痕测试揭示了Cu微纳米针锥的硬度值为2.26 Gpa,Ni-W修饰后的Cu微纳米针锥硬度值显著提升,高达4.23 Gpa。塔菲尔实验结果表明,Au/Ni-W修饰后的Cu微纳米针锥的自腐蚀电位发生正向移动,同时腐蚀电流密度降低,其抗腐蚀性能得以增强。键合结果表明,Au/Ni-W修饰的Cu微纳米针锥与焊料的平均剪切强度略小于纯的Cu微纳米针锥,但键合界面孔洞消失,剪切条件下焊点断裂方式为纯韧性断裂。研究了190°C热处理下的界面扩散机制,发现Au/Ni-W合金层对Cu微纳米针锥与Sn的互扩散起到了阻挡作用。Ni-W阻挡层附近由于W富集,在键合界面形成Ni4W,阻挡了Sn作为固溶体扩散进入Cu中。结合界面变形特征、孔洞闭合模型,本文针对Cu微纳米针锥的热压键合界面建立了“尖端压入--孔洞闭合”模型,研究了三角形塑性区的孔洞闭合速率与实际键合面积的关系,为下一步的研究提供了理论依据。3、最后,本文成功的在芯片上制备了Ag帽/Cu柱凸点阵列,并将该阵列与另一侧Ag修饰的Cu微纳米针锥实现了键合。在260°C、225 MPa和20 min的条件下,实现了二侧结构的结合,但键合界面存在少许O元素、孔洞等不能完全消除的问题。又研究了Cu凸点上镀Ni微纳米针锥与Ag层在260°C、140 MPa和20 min的条件下实现了低温固态键合,界面没有孔洞存在。TEM分析表明,Ag和Ni界面不同的位置显示出不同的键合阶段特征,因扩散反应而存在原子间连接。突破了传统的Cu-Cu键合需要高温、高压、高平整度等苛刻要求,界面不产生脆性的IMC,无孔洞等缺陷,为今后高密度、高可靠性3D电子封装提供了有效的低温固态键合新方法。
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