用于三维封装的低温嵌入式键合技术与理论研究

互连技术是电子封装技术的核心，它直接影响着封装密度、效率、成本和产品的可靠性，而且每次封装技术的重大革命几乎都与互连形式的改变有关。随着微电子产品向高密度、轻小型化的快速发展，三维叠层封装技术即将成为一种主流技术，与之对应的短路径，窄间距、高密度、低温化的互连形式将逐渐被大量采用，其中，可适用于三维叠层封装的高密度键合方法是重点开发内容。针对这一发展趋势，本项目提出了一种新的键合方法－-低温嵌入式固态键合技术，即在键合上下表面分别形成软焊层和硬质金属微纳米针锥层，在低于键合材料的熔点温度下短时加压/超声加压，使表面微纳米针锥嵌入到软焊层中，实现固态键合。其特点是尖锐的微纳米针锥可以破碎表面氧化膜并刺入软金属基体，降低键合温度、压力和时间，在几秒到几百秒内实现固态键合。本项目拟针对该键合方法展开深入系统的工艺探索和理论研究，为三维高密度封装提供新的键合技术。

芯片尺寸封装和3D封装为代表的新封装形式对互连工艺技术创新具有极为迫切的需求。针对这一趋势，本项目提出了一种利用特殊微锥结构的Ni镀层在无助焊剂、无保护气氛的条件下以一定的压力与无铅焊料进行固态键合的全新方法，并通过系统研究，初步证明了该方法的可行性，有望在高密度互连中得到应用。（1）.首次提出了使用特殊微锥形貌的电镀Ni/Cu层与无铅焊料在低于焊料熔点的温度下进行无助焊剂、无保护气氛的固相键合，突破了现时的低温互连方法对工艺和成本的苛刻需求，并验证了其基本规律和可行性。该方法在工艺上兼具变形焊与扩散连接的特点，在原理上则充分利用了Ni/Cu微锥尖锐形貌以穿透Sn合金表面氧化物及污染物层，形成初步机械镶嵌效应，并利用Sn/Ni之间的反应扩散形成冶金结合，在低于回流焊温度下实现了与之等同或者超过回流焊点的键合强度。.（2）.在微锥材料的电化学制备与可控优化研究基础上，对该方法在高密度互连中的实用性进行了初步的验证，设计了配套的工艺流程，并通过对单个凸点的剪切测试和界面精细结构的显微分析确认了键合质量，从而为其在先进封装形式中的应用提供了一定的基础。.（3）.将固态键合的界面微观变形过程分为与时间无关的弹塑性变形阶段和与时间相关的蠕变变形与扩散变形阶段，并分别通过有限元分析和孔隙闭合几何模型对这两阶段分别进行了数值计算；.（4）.研究了特殊形貌和织构的Ni层对Sn/Ni固相界面反应的影响，并观察到微锥型Ni对亚稳相NiSn3薄片生长的显著抑制现象，在此基础上提出了Ni微锥对Ni3Sn4形核的促进与对NiSn3相的抑制是由与次级台阶形貌相关的形核驱动力增加以及与织构相关的形核能改变共同影响所致的观点。.（5）研究了铜基微纳米针与锡层低温键合过程。研究发现铜基微纳米针生成的金属间化合物晶粒大小均一、精细，这说明铜基微纳米针适合用作键合基底。X射线衍射分析结果表明，铜基微纳米针与锡层间生成的金属间化合物主要是Cu6Sn5，且Cu6Sn5晶粒的取向和平面铜层与锡层间生成的Cu6Sn5晶粒的取向明显不同。