3D封装In基焊点金属间化合物生长行为控制及空洞抑制机理研究

The specific research contents include the optimition of the composition and bonding process of In-based composite solder, the IMC morphology evolution and growth kinetics in 3D package solder joint under thermal filed, study on the reliability of all-intermetallic compound solder joints, and the stress strain response of the solder joints, investigation on the corresponding relation between IMC morphology and reliability of the solder joint by finite element method (FEM), verification of the reliability of all-intermetallic compound solder joints contained the interfacial IMC with superior morphology, study the effect of nanoparticle type and solder joint scale effect on the IMC growth behavior, formation mechanism of voids and cracks, solder joints reliability, and then the controllable growth method of the ideal all-intermetallic compound solder joint IMC is anticipated be achieved. The research results of this project can be applied to the transient liquid phase (TLP) bonding of 3D package, and also provide theoretical basis and technical support for improving the reliability of solder joint of electronic product package.

3D封装焊点在电子产品封装领域的应用至关重要，但因空洞的形成容易引起焊点在复杂服役环境下步入早期失效。本项目以3D封装In基全金属间化合物焊点为研究对象，拟通过优化焊点IMC生长行为和抑制空洞生成，以达到3D封装焊点界面IMC的主控生长及焊点“低温连接，高温服役”的目的。具体研究内容是优化In基复合钎料成分和键合工艺，研究热场下焊点IMC形态演变和生长动力学，分析堆叠式焊点应力应变响应，探究全金属间化合物焊点的可靠性；通过有限元法计算IMC形态和焊点可靠性的映射关系，验证较优界面IMC形态及全金属间化合物焊点可靠性；探究纳米颗粒种类、钎缝尺度与焊点IMC生长行为、空洞和裂纹的形成机制、焊点可靠性之间的关系，以获得较理想全金属间化合物焊点IMC的可控生长方法。本项目研究成果可用于3D封装的瞬时液相（TLP）键合，也将为提高电子产品封装焊点可靠性等方面提供理论依据和技术支撑。

面向5G通讯系统和3DMCM等电子封装等领域的大功率高频电子器件及电子系统复杂程度的日益提高，对低功耗、轻重量小型封装技术的要求也随之提高。3D封装技术是电子制造技术领域的重要研究方向，可通过芯片堆叠键合技术缩短焊点尺寸，提高元器件的转换速度，提高复合钎料焊点的力学性能和热稳定性，可实现封装焊点低温键合高温服役的目的，为3D封装技术在电子封装产业中的应用提供理论依据和技术支持。.本项目以3D封装In基复合钎料焊点为研究对象，采用TLP技术制备了堆叠式3D封装焊点，开展了以下研究内容。.（1）优化了In-Cu、In-Ag、In-Sn-Ag和In-Sn-Cu复合钎料成分和键合工艺。性能表现优异的低熔点In基复合钎料体系包括In-45Cu复合钎料、In-50Ag复合钎料、In-48Sn-50Ag复合钎料和In-48Sn-20Cu复合钎料。Cu/In-50Ag/Cu复合钎料焊点的键合工艺为键合温度260℃、键合压力3MPa、键合时间30min。Cu/In-48Sn-20Cu/Cu焊点的键合工艺为键合温度260℃、键合压力3MPa、键合时间15min。.（2）研究了Cu颗粒、Ag颗粒含量和尺度对In基复合钎料焊点显微组织演变、IMC的生长与转变、焊点力学性能和断裂机制的影响规律。添加合适含量和尺度的纳米Cu、Ag增强颗粒，可有效控制In基复合钎料焊点界面反应区和原位反应区IMC种类和形态，并抑制焊点原位区IMC在热循环下的过度生长。复合钎料焊点中脆硬界面IMC层、多孔IMC（Cu3(In,Sn)）、孔洞和裂纹、IMC剥落等是造成焊点塑性损伤的主要原因。焊点的断裂机制主要为脆性断裂或塑性断裂和脆性断裂的混合模式。.（3）探究了纳米增强颗粒种类、含量和尺度、和键合温度、键合时间、键合压力与焊点IMC生长行为、空洞和裂纹的形成机制、焊点可靠性之间的关系，获得了较理想全金属间化合物焊点IMC的可控生长方法。.（4）分析了键合工艺和热场对In基复合钎料焊点界面IMC、原位IMC演变的影响规律，分析了焊点塑性损伤机理，获得了全金属间化合物焊点空洞与裂纹的抑制机理。.（5）探究了In基复合钎料焊点原位IMC生长机理，计算了化合物的吉布斯自由能，获得了可靠性性能优良的3D封装全金属间化合物焊点。