基于分裂自组装现象的TSV磁性锡液填充机理研究

TSV is one of the hottest issues on the emerging high-end electronics packaging technologies. The major TSV filling technology, copper plating, is prone to the defect of voids, depended on its nature of deposition. To develop a non-deposition type of TSV filling technology, which can solve the voids problem thoroughly, is of great significance in innovation and practical value. A novel electromagnetic controlled TSV filling technology based on magnetic solder has been proposed in this application, which has the merits of getting rid of both the defect problem of copper plating and the contamination problem of liquid solder TSV filling technology. It will be a low cost, extendable and promising non-deposition TSV filling technology. In this project, the optimization and design rules for the magnetic solders, 3D Nano-size dynamics of metallurgical reaction, growth of intermetallic compounds, the rupture and switchable self-assembly of magnetic droplet will be investigated. The corresponding models will be constructed for the metallurgical reaction, the IMC growth and switchable self-assembly of magnetic droplet, separately. The fundamental scientific questions are discussed in details, such as the stability and the ordered refinement of the magnetic solders. The outcomes of this project are of great significance in the scientific understanding for the self-assembly phenomenon of the ferrofluid, the development of TSV technologies and the ability of original innovation in the field of electronic packaging.

解决TSV的缺陷问题是电子封装领域创新研究的热点。由于沉积式的填充本质，主流的TSV填充技术容易产生空洞缺陷。开发非沉积式填充技术能从本质上解决这种缺陷问题，具有重要的创新意义和实际应用价值。本项目提出一种磁性锡液填充技术，能够有效的解决TSV填充缺陷问题，控制锡对硅晶圆和反应腔的污染问题，是一种低成本、应用前景广阔的新型非沉积式TSV填充技术。本项目拟针对该项技术的理论基础开展科学研究工作，详细深入地探讨磁性锡液优化设计准则、纳米颗粒冶金动力学、IMC生长动力学、锡液磁性产生机理和分裂自组装机理等科学问题，建立IMC生长模型和分裂自组装物理模型，解决锡液的磁性稳定性问题和有序细化的问题。本项目的研究成果将对于磁流体分裂自组装新现象的科学阐述、对于新型TSV技术的开发与应用、对于提升电子封装领域原始创新能力都具有重要意义。

磁性钎料是一种利用磁场进行固液转变与运动形态控制的智能材料，其磁控分裂自组装特性近年来获得关注，然而无论是在材料、工艺、性能还是在应用方面均处于尚不成熟的研究探索阶段。本项目在实验中尝试了三种不同的方案进行研究：.1. 钎料基体中添加纳米级磁性粉末（Fe或Ni）制备磁性钎料.2. Fe3O4磁流体中添加电子墨水制备磁性导电流体.3. 钎料基体中添加微米级磁性粉末（Fe或Ni）制备磁性钎料.项目研究了：.1. 纳米Ni颗粒与锡的冶金反应。固相条件下Sn原子向Ni纳米颗粒的扩散，实验发现Sn原子向Ni纳米颗粒快速扩散形成片状Ni基固溶体。纳米颗粒中的Ni原子在液态钎料中的溶解速度非常快，尺寸越小，溶解速度越快。验证了纳米Ni颗粒与液态钎料接触，先发生Ni原子向液态钎料的溶解，后发生界面冶金反应生成金属间化合物(IMC)。.2. 微米磁性颗粒与锡的冶金反应动力学。结合IMC生长模型阐明磁性钎料产生磁性的机理，明确微米磁性金属颗粒钎料的磁学稳定性。研究了磁性钎料钎焊过程，实验发现钎焊过程中添加磁场，能够改善钎料的润湿铺展性能，促进界面IMC的形成，在更短的时间内达到钎焊接头的强度最优值。.3. 研究了上述三种方案实现分裂自组装的可能性。实验证明方案1中钎料熔体的磁性不够，不能实现分裂自组装；方案2的磁流体可以实现分裂自组装，但是在与电子墨水混合的过程中破坏了磁流体的胶体状态形成沉淀，失去了磁流体的磁控分裂自组装性能；方案3可以实现磁性流体的磁控分裂自组装。基于上述研究，建立磁性钎料的磁控分裂自组装的物理模型。.本项目中研究的磁性钎料中，磁性颗粒的微米尺度与电子封装结构中的TSV通孔相比过大，因此在项目原计划的TSV填充中应用仍存在困难。但是该方法在无接触运动形态控制、固液容易转换等方面的特点，有望在新的应用领域（如增材制造）有很好的前景。