单晶基体界面反应及其对微细无铅焊点可靠性的影响

微型化和无铅化对封装技术提出更大挑战。界面IMC占焊点比例增加；小范围内IMC与钎料的物理、力学性能差异巨大；反应的体积效应更显著，IMC强烈影响焊点的可靠性。单晶铜与无铅钎料界面反应具有特殊性：生成棱晶状晶粒的结构特征使其远远小于扇贝状晶粒厚度；低错配度、低界面能可提高界面冲击断裂韧性；低固/液界面反应Cu6Sn5生长速率、低的固/固界面反应Cu3Sn生长速率、柯肯达尔空洞在Cu3Sn中形成受阻碍均有利于降低脆性界面IMC引起的损伤。本项目旨在研究单晶上生成棱晶状IMC晶粒的本质以及形成所必需的钎料成分、温度、晶面指数等条件和规律；界面IMC与单晶基体的位向关系、生长动力学以及柯肯达尔空洞形成的规律性；单晶上IMC在电迁移过程中极性变化的规律性；以及对无铅焊点力学性能和可靠性的影响规律。为回答单晶基体作为焊盘是否具有更优越的力学性能和可靠性及其在微细无铅互连中潜在的应用价值提供指导意见。

本项目研究了电子封装常用的金属Cu、Ni的单晶基体与无铅钎料的界面反应，表征了单晶基体上规则排列棱晶状Cu6Sn5金属间化合物（IMC）晶粒的形核条件与基体的位向关系，率先揭示了棱晶状的生长机制以及与扇贝状Cu6Sn5 IMC晶粒的相互转变规律，建立了晶粒的三维六棱柱晶粒生长模型，提出了一种电流驱动键合（Current Driven Bonding, CDB）的新方法，并成功制备出一种可用于3D封装的高熔点单一择优取向Cu6Sn5 IMC互连焊点，表征了单一择优取向IMC与Cu基体的位向关系，揭示了单一择优取向全IMC焊点的形成机理，并评估了全IMC焊点的力学性能与电迁移可靠性。代表性成果包括：1）揭示了棱晶状Cu6Sn5晶粒的形核条件；2）棱晶状Cu6Sn5晶粒转变为扇贝状没有取向遗传性；3）发现了电流驱动导致单晶基体上界面IMC择优取向生长的规律性；4）提出了电流驱动键合（Current Driven Bonding, CDB）制备单一择优取向全IMC焊点的新方法，在3D封装中具有潜在的应用价值，申请发明专利7项。