面向三维IC堆栈集成高温单相互连点的快速成形原理研究

Three dimensional IC stacked integration can build up integrated micro-systems by vertically connecting chip together, chip interconnecting is a key technology，now mainly focusing on state-liquid interdiffusion bonding technology. As the joint size and chip thickness reduced, this bonding technology has to face the following challenges: (1) Joints with high temperature, and short bonding time, to avoid remelting and crushing the solder joints of lower level, and chip distortion induced by excess heat input. phase transformation fracture; (2) Joint consisted of single phase, and no phase transformation happening, to prevent crack formation in phase interface caused by thermal stress, and phase transformation fracture. This proposal try to form the Ni3Sn4 joint in a short bonding time, depending on Ni/Sn micro-bump and nano Ni pad layer through state-liquid interdiffusion bonding, which can solve above challenges. The research work as following: (1) Studying on the microstructure evolution of Ni3Sn4 on Ni nano layer, to analyze the Ni3Sn4 grain growth and coarsening mechanism; (2) Studying IMC growth Kinetics on nano layer, to discuss effect of Ni nano layer on Ni3Sn4 growth driving force; (3) Bonding technology optimization, to obtain the optimal bonding parameters, and make Ni3Sn4 joint. The result is to provide a new way for state-liquid interdiffusion bonding, which will promote the development of 3D IC stacked integration.

三维IC堆栈集成是通过垂直堆栈互连功能芯片组成集成微系统，其中互连键合为核心技术之一，目前重点关注的是固液互扩散键合法。随着互连点尺寸和芯片厚度降低，该方法遇到如下挑战：（1）形成高温互连点，且键合时间短，避免上层芯片键合加热重熔或压溃下层互连点钎料，及热输入过大导致芯片变形。（2）互连点由单相构成，且不发生化合物相变，防止热应力导致相界开裂，及相变形成裂纹。本课题采用Ni/Sn微凸点及Ni纳米化层，通过固液互扩散键合，快速形成高温Ni3Sn4互连点，解决上述挑战。主要研究：（1）Ni纳米化界面Ni3Sn4微观结构演变，探讨界面Ni3Sn4形核长大及粗化机制；（2）Ni纳米化界面Ni3Sn4生长动力学，探讨Ni层纳米化结构对界面Ni3Sn4生长动力影响机制；（3）键合参数优化，探索最佳键合参数，快速制备Ni3Sn4互连点。研究结果将为固液互扩散键合开发一种新方法，促进三维IC堆栈集成发展。

三维IC堆栈集成是通过垂直堆栈功能芯片组成集成微系统，其中互连键合为核心技术之一，当前产业界重点关注固液互扩散键合法。本项目拟通过改性金属焊盘，制备出纳米化Ni层，实现单相Ni3Sn4微互连点的快速化制备，解决传统固液互扩散键合法存在的键合时间长及形成的微互连点可靠性差难题。课题采用了与半导体制程相兼容的直流电镀法，通过调控光亮剂与柔软剂配比及电流强度，制备出晶粒尺寸约为10nm、100nm及700nm的三种纳米化Ni焊盘，其厚度均为8µm-10µm；通过回流纳米化Ni/Sn微凸点，研究了Ni纳米化尺度对金属间化合物Ni3Sn4生长的影响规律，结果发现：在回流过程中Ni纳米化尺度对Ni3Sn4生长及形貌存在着显著影响，纳米化尺度越小的Ni层上Ni3Sn4生长速率越快，其棒状形貌越细长，在260℃回流9min时Ni3Sn4生长速率在10nmNi层上比在700nmNi层上快达2.5倍左右；研究了纳米化Ni层上（10nm）Ni3Sn4在回流过程中的生长动力学，结果表明为反应原子扩散控制机制；通过控制Sn层厚度，在260℃条件下固液互扩散键合纳米化Ni层/Sn/纳米化Ni层微互连结构，制备出高度约为13µm的单相Ni3Sn4微互连点，在10nm、100nm及700nmNi焊盘层上形成的时间分别为36min、56min及140min，由此可见通过纳米化Ni层能够快速制备出单相Ni3Sn4微互连点；研究了键合温度对Ni3Sn4微互连点形成的影响规律，结果表明：键合温度的升高能够极大地提高其形成速率，在300℃键合温度下10nmNi焊盘上形成Ni3Sn4微互连点（高度为13µm）需要为16min，比260℃条件下快2倍多；研究了Ni3Sn4微互连点（高度为13µm）的力学性能，结果表明：其拉伸强度约为186MPa，这比相同互连高度的纯Sn微互连点拉伸强度高1倍以上，其断裂模式为贯穿Ni3Sn4微互连点的脆性断裂。该研究结果将为固液互扩散键合开发一种新方法，能够促进三维IC堆栈集成、大功率芯片封装及柔性电子封装的高密度化发展。