三維封裝芯片Cu-In體系固液互擴(kuò)散低溫鍵合機(jī)理研究.pdf

1、芯片封裝已經(jīng)邁入3D封裝的時(shí)代,固液互擴(kuò)散鍵合法( SLID, Solid-Liquid-Inter-diffusion Bonding)以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)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(diǎn)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(diǎn)較高,因此可以達(dá)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(shí)現(xiàn)良好的性能,In的熔點(diǎn)比Sn低很多,可以在更低的溫度下實(shí)現(xiàn)鍵合,因此對(duì)SLID鍵合中Cu-In體系的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文首先對(duì)Cu-In體系SLID鍵合焊點(diǎn)的制作工藝進(jìn)行探討,優(yōu)化了鍍膜工藝參數(shù),然后對(duì)高低兩種鍵合溫度下焊點(diǎn)的組織演變進(jìn)行了分析,并對(duì)焊點(diǎn)中出現(xiàn)的裂紋和孔洞等缺陷進(jìn)行了研究,最后對(duì)焊點(diǎn)的剪切性能進(jìn)行研究,比較了不同工藝參數(shù)的焊點(diǎn)剪切性能,并對(duì)剪切斷口進(jìn)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(diǎn)未形成全I(xiàn)MC焊點(diǎn),而260℃、310℃和360℃鍵合40min后的焊點(diǎn)均形成全I(xiàn)MC焊點(diǎn)。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(zhǎng)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(zhǎng)大形核的速度非常快,并且Cu7In3相沿Cu2In晶界方向生長(zhǎng)更快。在Cu與焊縫界面

4、處會(huì)產(chǎn)生可肯達(dá)爾孔洞,并且隨著鍵合溫度的提高和鍵合時(shí)間的增長(zhǎng)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(dá)爾孔洞。對(duì)焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度的研究表明Cu2In相的存在就可以增強(qiáng)了焊點(diǎn)的剪切性能,而Cu7In3相的存在并未使焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度提升。260℃鍵合360min焊點(diǎn)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(dǎo)致的。260℃鍵合的焊點(diǎn)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(diǎn)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(shuō)明這兩相的界面結(jié)合力很弱。360℃鍵合40min和160min的焊點(diǎn)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(diǎn)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。