全IMC焊点界面反应机理及微观力学行为研究

全IMC焊点以金属间化合物(IMC-Intermetallic Compounds)为微互连介质，结构为金属/IMC/金属。电子器件中焊点向微、纳尺度发展，将促使此类焊点的出现。全IMC微互连焊点的结构特殊（没有Sn基合金/IMC界面）、内部IMC晶粒数量有限、可数。其微观力学行为必然与传统的金属/IMC/Sn基钎料/IMC/金属焊点差异巨大，而焊点微观力学行为研究是理解其可靠性问题的基础。IMC具有定向生长的特性，全IMC微互连焊点界面处IMC界面反应、接合的机理对于理解和控制焊点内部组织结构至关重要。本研究将借助SEM、TEM等手段分析不同焊盘结构和工艺条件下全IMC焊点的界面反应机理；应用量子学计算方法研究合金元素影响界面反应的机制，旨在控制IMC的生长、演变及焊点微观结构；在微剪切或原位拉伸条件下，从微观角度(晶界、相界面、位错和空位的运动等)研究其裂纹萌生、扩展和失效等力学行为。

项目进行过程中，系统地研究了焊点成分及镀层结构对IMC形貌及生长的影响，为“全IMC”焊点的结构设计及制备奠定了基础。研究发现：金属间化合物的种类和形貌会与焊盘镀层的结构关系密切。IMC厚度的增长需要焊盘提供足够的金属材料。另外，金属间化合物的生长和演变的速度会显著地受到钎料合金成分的影响。该结果提示我们可以通过在钎料合金中添加不同种类和数量元素的方法来改变或者控制化合物的生长，加速“全IMC”焊点的制备；通过焊点结构设计，优化键合温度、压力和时间等参数，最终制备出铜锡“全IMC”焊点，“全IMC”焊点一般由Cu6Sn5或Cu3Sn构成。随着焊接温度的升高、键合压力的增大和焊点尺寸的减少，完成“全IMC”焊点制备的时间会随之缩短，可以在15-30分钟内实现“全IMC”焊点的制备，但需要较大的键合压力；“全IMC”焊点一般由Cu6Sn5和Cu3Sn构成，其晶粒取向关系的研究是我们理解“全IMC”焊点微观组织结构的关键。研究发现：长时间重熔或老化后，Cu6Sn5和Cu3Sn的晶体择优取向关系没有改变，都表现出Cu6Sn5的(0001)晶面(或者(100)晶面，单斜结构)∥焊盘平面，单晶Cu6Sn5和Cu3Sn的晶体取向关系是Cu3Sn(100)∥Cu6Sn5(0001)；为了加速“全IMC”焊点的制备，我们通过量子学计算分析的手段，得出合金元素影响IMC生长的量子学机理，可以通过该机理找出能够促进IMC生长的合金元素， 机理与实验结果相互印证；最后，对三种典型结构焊点：含Sn的传统焊点、由Cu6Sn5与Cu3Sn共同构成的“全IMC”焊点，以及只由Cu3Sn构成“单IMC”焊点的微观力学行为进行了研究，得出了三种焊点的强度、断裂路径及断裂模式等最基础的数据。