低温过渡液相连接技术与机理研究

For meeting the technical demand of high temperature resistant bonding materials and methods in advanced semiconductor device manufacturing, the low temperature transient liquid phase (LT-TLP) bonding process, bonding dynamics and joint properties and reliability of homo-based one-component and binary systems and hetero-based one-component systems will be investigated. The main aims of this research are solving the current problems such as unitary in species, lacking of process details, inadequacy on bonding mechanism and weakness on research of joint service properties and reliability, elucidating the relationship between bonding materials and process, bonding dynamics, joint microstructures and joint properties, establishing design guidance for high temperature resistant LT-TLP joints, and finally promoting the development of manufacturing technology for semiconductor devices with high temperature resistant joints. Meanwhile, the methods for improving the fracture toughness of LT-TLP joints by adding micro-alloying elements and second-phase particles, or refining the grains of bonding layer will be developed and the mechanisms will be clarified. LT-TLPS paste will be prepared for expanding LT-TLP application areas. The results of this project will promote the application of LT-TLP technology in high temperature semiconductor device manufacturing.

针对新型半导体器件对耐高温连接材料及方法的重大需求，开展具有应用潜力的同基一元和二元系、异基一元系低温过渡液相（LT-TLP）连接技术和机理研究，解决当前LT-TLP研究种类单一、连接机理不全面、接头服役性能和可靠性研究薄弱等突出问题，阐明连接材料和工艺、连接动力学、接头组织和性能之间的关系，建立设计耐高温LT-TLP接头的理论方法，实现在不同温度下连接表面镀层金属不同的半导体，并获得耐高温温度不同的接头，扩大连接技术的适用范围。针对LT-TLP接头断裂韧性不佳和应用范围受限问题，探索通过添加微量合金化元素、第二相粒子或细化连接层晶粒等方法提高接头的断裂韧性和通过制备LT-TLPS焊膏补充常规LT-TLP技术的应用局限，建立LT-TLP接头增韧和LT-TLPS焊膏连接的理论基础，开发出提高LT-TLP接头韧性的方法和实用的LT-TLPS焊膏，促进LT-TLP技术在高温半导体连接领域的应用

为满足高温电子器件的封装需求，本项目研究了低温过渡液相连接（TLP）过程中金属间化合物（IMC）的生长机理及工艺参数对连接过程及接头性能的影响，分析了接头中孔洞形成机理及其影响因素，针对接头中易形成孔洞、连接时间较长、金属间化合物塑韧性较差等关键问题提出解决方案，并研究了几种典型TLP接头的高温可靠性，取得的主要成果：.IMC的生长行为由Sn/IMC界面反应和晶粒粗化共同控制，其增厚过程遵循t1/3模型，随着保温时间的延长其生长速率减慢。受到基板元素各向异性扩散以及相邻晶粒间沟槽效应的影响，IMC晶粒生长过程存在非均匀特征，且高温反应时会出现异常长大，从而产生多种形态。.在Ag/Sn/Ag体系低温TLP连接的接头中容易出现孔洞，与Ag/Sn反应发生较大的体积收缩及Ag3Sn晶粒的非均匀生长行为有关。调整工艺可以减少孔洞的形成，但并不能完全消除。通过向接头中引入异基IMC相，抑制Ag3Sn晶粒的非均匀生长以及发生异基IMC相界面迁移，可以有效减少孔洞。.提出超声辅助连接来缩短连接时间。在一定温度范围内，超声15s即可获得IMC接头。超声强化的热沟槽效应使界面Ag3Sn晶粒呈“瘦长”状形态和发生晶粒脱落，并为基板元素提供快速扩散的液相通道（Ag扩散速率提高了近6-16.5倍），从而显著加快Ag3Sn的生长。.采用混合的Sn（或SAC）粉与Ag粉进行低温TLP烧结也可以缩短连接时间。Sn熔化后分别与Ag颗粒反应形成Ag3Sn相、与Cu或Ag基板反应生成IMC而实现连接。连接条件、粉末配比及其粒径等均对接头的组织和力学性能有影响，优化工艺后剪切强度可达70MPa。.添加连续Cu夹层或Cu颗粒都能提高TLP接头的塑韧性。采用压制Cu粉制备出多孔Cu夹层，实现了往IMC层中添加弥散Cu颗粒相，连接时还可以降低传统烧结工艺施加的压力和减少烧结层的孔隙率。.在350ºC老化接近1000h后，Ag/Sn/Ag连接接头、Cu/Sn/Ag连接接头、含有Cu颗粒的接头、Sn-Ag混合粉连接接头仍然具有较好的力学性能（均超过35MPa），能够满足MIL-STD 883H标准的要求。