基于3D封装芯片互连的固液互扩散低温键合机理及可靠性研究

本项目将针对3D封装中芯片互连，基于固液互扩散形成金属间化合物的原理，开发一种新型的低温共晶键合方法。该方法产生的焊点中只包含单一种类的高熔点金属间化合物，使焊点能够承受后封装过程中标准的无铅再流焊温度，并减少热失配的产生。项目将开发适合于低温键合的钎料层、解决芯片上钎料镀层技术；控制焊点中金属间化合物生长，研究金属间化合物形成机制及生长动力学，阐明低温键合机理；评估键合过程中产生的热应力，在芯片尺度上减少变形和应力的产生；并对接焊点内金属间化合物性能进行测试和计算，获得焊点微观组织特性与热疲劳性能之间的关系，揭示焊点失效机理，获得3D封装芯片低温键合的基础理论及数据。该方法不仅可以用于带有硅通孔（TSV）的芯片与芯片之间的3D互连，也可应用于MEMS、WLP等晶圆与晶圆之间的互连，为3D封装芯片低温键合技术的开发和应用奠定理论和技术基础，具有重要的科学意义和应用前景。

本项目针对3D封装中芯片互连开发一种新型的固液互扩散低温共晶键合方法，该方法生成的焊点中只包含单一种类的高熔点金属间化合物，实现了低温连接高温服役的目标。1）完成了3D封装芯片上键合层、焊点低温键合制备工艺的优化：采用磁控溅射和电镀相结合的方法，在硅芯片上获得了优化的低温键合钎料镀层(Sn和In)；通过对键合温度、时间、压力等工艺参数的优化，成功制备了Cu/In/Cu、Cu/Sn/Cu体系的全金属间化合物（Intermetallic Compounds-IMCs）3D封装互连焊点；2）通过对微观组织形貌、晶粒取向、金属间化合物微观力学性能的表征与分析，揭示了焊点内部Cu-In和Cu-Sn金属间化合物演变和生长机制，阐述了3D封装Cu/In/Cu和Cu/Sn/Cu微互连焊点的固液互扩散低温键合机理;对Cu/Sn/Cu体系多晶铜及单晶铜焊盘焊点内部组织形貌的演变、金属间化合物生长机制进行研究，揭示了全IMCs焊点中Cu6Sn5生长呈周期性演变规律，发现Cu3Sn的晶粒取向与Cu焊盘取向无关，而是与Cu6Sn5晶界方向有关；建立了Cu6Sn5形貌和晶粒取向关的关系；3）计算了键合过程中3D封装全金属间物焊点的热应力和应变，发现全IMCs焊点基本无塑形变形和蠕变。通过纳米压痕测试和基于Schmid定律计算的方法，揭示了焊点内金属间化合物Cu6Sn5的弹性和塑性存在明显的各向异性，但硬度表现为各项同性；4）键合焊点热疲劳可靠性及失效机理研究方面：对Cu/In/Cu体系全IMCs焊点的断裂机理进行了研究，发现Cu2In相为优质相，能够大幅增强焊点力学性能；对Ni/Au/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊点恒温老化过程中内部微观组织的演变机制进行了阐述。考虑残余应力的对焊点热疲劳可靠性的影响，降温速率对焊点的应力影响较大，残余应力对焊点的疲劳寿命影响不大。通过本项目研究，获得了3D封装芯片低温键合的基础理论及数据，该方法不仅可以用于带有硅通孔（TSV）的芯片与芯片之间的 3D互连，也可应用于 MEMS、WLP 等晶圆与晶圆之间的互连，为 3D 封装芯片低温键合技术的应用奠定理论和技术基础。以上研究工作共计发表论文22篇，其中SCI论文8篇, EI3篇， Ei/ISTP7篇；出版译著1部；申请发明专利9项，获得授权发明3项；培养硕士研究生5名，博士生2名；在国际会议上宣读论文6次。