三维封装高密度微铜柱热超声倒装键合强度形成过程与规律研究

Micro-copper pillar flip chip bonding is the major method to realize the high density 3D IC interconnection. To solve the current problems on the micro-copper pillar Cu-Sn-Cu flip chip bonding, such as the high temperature on reflow caused fragile IMC (like Cu3Sn) at the bonding interface, thermo compression flip chip bonding caused Sn extrusion, die crack, a new thermosonic flip chip bonding for micro-copper pillar was proposed to realize the Cu-Cu direct bonding, because the ultrasonic bonding has the advantages of small pressure, low temperature, short time, which can effectively solve the above problems existing in the traditional reflow or thermo compression flip chip interconnection..At the same time, to solve the problems existed on the traditional thermosonic flip chip bonding, such as oxidation copper pillar surface reducing the bonding reliability, ultrasonic stress caused damage on the large aspect ratio micro copper pillars, and the high loading on micro-copper column array bonding decreased the energy output efficiency of transducer system, et al, some new research contents were proposed. 1) the atomic diffusion and micro structure evolution process on the micro copper pillars bonding interface under the action of ultrasonic; 2) the efficient ultrasonic propagation mode at the multi-interface for thermosonic flip chip bonding; 3)the motion response mechanism of micro-copper pillar chip and interconnection interface under the action of ultrasonic. .By coupling analysis the multi energy field of ultrasonic, force, heat during thermosonic flip chip process for micro copper pillar, a new thermosonic flip chip bonding method was look forward to be developed for high strength micro copper pillar direct Cu-Cu bonding.

微铜柱倒装键合是实现高密度三维集成封装互连的主流途径。针对目前微铜柱Cu-Sn-Cu倒装互连中，高温回流倒装带来的键合界面IMC脆性化、热压倒装带来的Sn挤出、硅片碎裂等问题，根据热超声键合具有压力小、温度低、时间短的优点，提出了利用热超声倒装键合实现微铜柱间Cu-Cu直接键合的新思路，可有效解决现有倒装互连方法中存在的上述问题。同时，针对传统热超声倒装键合方法的瓶颈——氧化铜柱表面降低键合可靠性、大长径比微铜柱在超声作用下的应力破坏、以及高负载微铜柱阵列键合中换能器能量输出效率低等问题，提出通过研究超声作用下微铜柱键合界面的原子扩散及微结构演变过程、倒装多接触界面间的超声高效传播模式、超声作用下互连界面的运动响应机制等，分析微铜柱热超声倒装过程超声、力、热等多能场的耦合匹配，以期形成高密度微铜柱Cu-Cu直接热超声倒装键合的新方法。

微铜柱倒装键合是实现高密度三维集成封装互连的主流途径。针对目前微铜柱Cu-Sn-Cu倒装互连中，高温回流倒装带来的键合界面IMC脆性化、热压倒装带来的Sn挤出、硅片碎裂等问题，根据热超声键合具有压力小、温度低、时间短的优点，提出了利用热超声倒装键合实现微铜柱间Cu-Cu直接键合的新思路，可有效解决现有倒装互连方法中存在的上述问题。本项目针对三维封装高密度微铜柱热超声倒装键合强度形成过程与规律，进行了系统研究。主要研究进展如下：.（1）构建了微铜柱热超声倒装键合实验研究平台和观测系统。构建了微铜柱热超声倒装键合实验研究平台及其观测系统，倒装芯片对准精度可达5微米，超声功率在0-200 W范围内可调，实现了Cu-Cu、Cu-Sn-Cu倒装芯片的热超声倒装键合。.（2）设计并制造了直径10微米和100微米的微铜柱阵列芯片及基板，实现了含高密度微铜柱阵列芯片及基板间的热超声和热压倒装键合，研究了键合压力等关键参数对键合强度、界面微观形貌的影响。.（3）开发了无掩膜微铜柱凸点制备技术，研究了微阳极尺寸、沉积电势、添加剂等因素对微铜柱直径和形貌的影响制备出直径10-100微米可控、高度达3000微米的微铜柱。.（4）研究了微铜柱热超声倒装键合过程中，锡须的形成过程及其影响因素。.（5）研究了铜-锡-铜互连界面中SiC纳米棒在IMC晶粒中的嵌入规律及其在IMC晶粒长大过程中的移动机制。发现了Cu6Sn5晶粒长大过程中的相变驱动力，能够有效驱动SiC在界面中的移动，进一步将研究加入超声之后，SiC在互连界面中的移动与富集规律，为找到阻止IMC长大的高质量互连界面形成提供新方法。.主要研究成果包括：在微电子封装顶级SCI刊物发表论文15篇；授权发明专利2项；培养硕士研究生3人、博士研究生1人。参加国际学术会议2次。获得教育部科技进步一等奖1项（名称：三维窄节距、大跨度互连封装的关键技术与应用，本项目负责人排名第1）。