面向三维高密度封装的Cu6Sn5单晶UBM的定向合成原理与可靠性研究

Three dimensional (3D) chip-stacking technology with solder interconnections is considered to have potential to realize the multi-chip assembly for very large scale integration applications. The under-bump-metallization (UBM) process is one of the key technologies to ensure the reliability of the solder connections. As the traditional UBM process could not fulfill its requirements on the diffusion barrier properties, and the Cu6Sn5 UBM containing a large number of intergranular diffusion paths is also not a satisfactory solution, our project will explore to fabricate the Cu6Sn5 single crystal layer on the Cu substrate, in which a Cu6Sn5 single-crystal seed layer is introduced between the Cu and Sn-base solder as an UBM layer. The contents include: (1) the preparation and its characterizations of Cu6Sn5 single-crystal seed layer; (2) the mechanism of the internal reaction between the Cu6Sn5 seed and interfacial Cu6Sn5 on the Cu pad; (3) the reliability of the Cu6Sn5 single-crystal UBM during reflow; (4) the reliability of the Cu6Sn5 single-crystal UBM during electromigration. This investigation provides a good starting point for fabrication of Cu6Sn5 single-crystal UBM to commercial applications, and also has the unique significance to UBM technology development in 3D packaging.

三维封装的焊点互连工艺是实现多芯片间系统集成的关键技术之一，其中钎料焊点下的元素扩散阻挡层（UBM）技术是三维封装焊点界面可靠性的重要保证。目前传统UBM工艺已经难以满足互连焊点对铜元素扩散阻挡的要求，而比较令人关注的Cu6Sn5UBM又因其存在晶间元素快速扩散通道，无法从根本上实现对铜元素的扩散阻挡。因此，本项目拟采用预先制备单晶Cu6Sn5种籽层，通过种籽层与铜基母相的有效焊接实现铜基表面制备Cu6Sn5单晶UBM的目标。本项目拟重点研究：（1）Cu6Sn5单晶种籽层的制备与结构表征（2）Cu6Sn5单晶种籽层与铜基焊盘冶金成形机制（3）Cu6Sn5单晶UBM的重熔可靠性；（4）Cu6Sn5单晶UBM的电迁移可靠性。研究结果将对三维高密度封装的焊点UBM工艺发展有实用价值。

在三维封装工艺中由于焊盘结构较薄，导致传统Ni/Au凸点下金属化层（Under bump metallization, UBM）的厚度显著降低，对Cu焊盘的元素扩散阻挡能力也随之下降，界面可靠性问题凸显。Cu6Sn5金属间化合物由于结构稳定、耐腐蚀、抗氧化、制备成本低、与Sn基钎料的润湿性良好且与铜焊盘的粘合性优异的特点，有望成为传统金属UBM的替代材料。不过，研究表明Cu/Sn冶金反应形成的Cu6Sn5相界面化合物层为多晶结构，Cu元素沿Cu6Sn5晶间通道内的快速扩散将严重恶化焊点的可靠性。基于上述原因，本项目深入探索了Cu6Sn5大块单晶的可控制备技术，重点分析了Cu6Sn5单晶UBM的定向合成原理，初步评估了Cu6Sn5单晶UBM的服役可靠性。该研究对三维高密度封装中互连焊点界面可靠性的提高有重要意义，同时为Cu6Sn5单晶UBM的工业化生产提供了原理性基础。.本项目研究了过饱和液态钎料中Cu6Sn5相单晶的生长动力学行为，提出了Cu6Sn5相的六方棒状生长机制，构建了250 °C下Cu6Sn5相单晶尺寸、钎料浓度和生长时间的动力学方程，最终实现了Cu6Sn5相单晶的可控生长。其次，本项目完成了100 μm和50 μm窗口内Cu6Sn5单晶UBM的制备，提出了Cu6Sn5单晶种籽层与铜基焊盘形成单晶UBM层的冶金成形机理是由晶界迁移机制为原理的主控生长行为（Host-controlled behavior）。再次，对于互连焊点重熔及通电阶段Cu6Sn5单晶UBM层厚、晶体取向及焊盘溶解量之间的动力学关系，申请人研究发现Cu6Sn5单晶UBM结构中Cu6Sn5晶体取向的影响不大；重熔阶段，申请人确定了厚度相同时Cu6Sn5单晶UBM层的元素扩散阻挡能力是同尺寸Ni基UBM的2倍左右，是相同厚度Cu6Sn5多晶UBM的144.3倍；通电阶段，申请人发现了Cu6Sn5单晶UBM层基本不发生电致分解而主要发生阴极电致剥离（Cathodic peeling damage），只要单晶UBM层存在焊盘基本不发生溶解。另外，本研究还发现Cu6Sn5单晶UBM在制备过程中Cu焊盘表面的Sn镀层很容易产生Sn晶须，从而导致互连可靠性问题；基于大量实验，申请人提出了使用Sn-9Zn钎料取代纯Sn钎料作为蒸镀材料可以有效抑制Sn镀层晶须生长的论断。