三维系统封装亚微米镀层/细丝微电阻点焊键合界面连接物理和可靠性

Three dimensional System in Package (SIP) is one of the major development area in new era of information technology industry, which attracts more intention for the application in the fields of power module, microwave devices and sensors manufacturing. However, most of the interconnection methods applied in the three dimensional structure of SIP including ultrasonic wire bonding and solder bumps reflowing, are operated at high temperature and the whole module was heated, in addition, the reliability of the interconnection was not very clear. To solve these problems, a ultra-fast and local heating method, micro-resistance spot welding was proposed to connect the submicron scale metal metallization layer and ultra-fine wire. Firstly, dynamic resistance of bond interface will be measured and the in-situ bond quality monitoring methodology will be established. Secondly, elements transfer and mutual reaction of bonding interface will be investigated, and the size effect, polarity effect and bonding mechanism under the thermal-electrical fields will be elaborated systematically. Finally, reliability tests of the micro-resistance welding bonds under thermal load, electrical load and vibration load will be investigated, and the relationship between failure life and dynamic resistance, stress response will be established. The results of this project will provide a complete database and theoretical fundamental for the application of SIP in the fields of aviation, aerospace, weapon equipment and deep space exploration, which has importance application prospect and deep scientific significance.

三维微系统封装作为新一代信息技术产业的重点发展领域，成为功率模块、微波器件、传感器等领域的关注热点。本项目为解决现有三维系统封装立体结构互连中存在的高温整体加热和可靠性数据匮乏的问题，提出采用微电阻点焊的方法实现三维微系统封装结构中亚微米薄膜镀层/细丝的瞬态局部加热互连。将研究键合过程焊点动态电阻监测方法，建立微电阻焊点质量在线监测方法体系；对连接界面的物质运输和相互作用机理进行研究，阐述不同薄膜/细丝连接体系在热-电驱动作用下的尺寸效应、极性效应和界面连接物理机制；构建热、电、振动等外加载荷作用下连接界面动态电阻、应力响应与失效寿命的关系模型，建立三维系统封装微电阻焊点的可靠性评估方法。项目研究对于推动三维系统封装模块在航空、航天、武器装备和深空探测电子装备的应用和高可靠工作奠定技术基础，具有重要的应用前景和理论意义。

本项目为解决现有三维封装结构互连中存在的高温整体加热和可靠性数据匮乏的问题，提出采用微电阻点焊的方法实现亚微米薄膜镀层/细丝的瞬态局部加热互连。开发了键合过程动态电阻监测方法实现界面温度和动态电阻的监测；探究了连接界面的物质输运和相互作用机理，阐述了不同薄膜/细丝连接体系在热-电驱动作用下的界面连接机制；构建了热-电-振动作用下连接界面动态电阻、应力响应与失效寿命的关系模型。具体成果包括：1）实现了不同材料体系亚微米镀层/细丝的微电阻焊超快高可靠键合，包括金丝、铜丝、和铝丝（直径范围40μm~800μm）和金、镍、铜薄膜（3μm~50μm）焊盘体系。键合时间最短仅为15ms，键合压力4N；焊点最高剪切推断力达到187 gf，拉断力达到35.6 gf，是传统互连规定许可拉伸力（20 gf）的1.78倍；2）基于热电效应原理开发了焊点界面动态电阻和电阻热监测方法，实现了微细尺度下键合焊点性能的在线质量监测：3）发现了瞬态电流加热物理场作用下连接界面纳米尺度新相的生成，瞬间的大电流密度及其产生的焦耳热促进了界面元素扩散，首次在微电阻焊界面中发现了三斜结构的γ-Cu9Al4；4）揭示了微观尺度下界面连接物理机制：根据引线直径和输入功率不同，焊点连接机制可分为固相连接、固-液混合连接和熔化连接机制；5）将微电阻焊和动态电阻监测方法应用到微系统三维结构引线键合上，通过了老化试验和振动可靠性试验，均未发生失效；6）最后实现了在微传感器封装、卫星太阳能展开机构电子系统和三维组装结构中的可靠应用。在频率为20Hz ~2000Hz，总均方根加速度为15g条件下振动试验均未发生失效。.本项目为我国在新一代信息技术领域中功率模块、微波器件、传感器等领域中的微结构互连提供了高可靠的快速制备方法，为推动三维封装在航空、航天、武器装备和深空探测电子装备的应用和高可靠工作提供了关键技术和基础理论支持，具有重要的应用前景和理论意义。