择优取向铜柱凸点的键合技术与理论研究

With the rapid development of the miniaturization and high performance of the microelectronic devices, flip chip and stacked package have become the mainstream package processes. Copper pillar bump, which possesses good electrical and thermal conductivity and is able to achieve high-density package, has proposed as a novel package method. However, since the electrical, thermal and mechanical loads on a single copper pillar bump increase, how to inhibit the overgrowth of interfacial intermetallic and enhance the migration resistance in the coupling field (such as electronic field and thermal field) has become the focus in the packaging industry. The project intends to electroplate copper/nickel substrate with preferred orientation, and research the interfacial reaction between the Sn-based solder and copper/nickel substrate, intermetallic growth, the initiation and propagation mechanisms of interfacial voids and cracks. The research project aims to provide a preparation method of copper pillar bump with preferred orientation, excellent performance and high reliability.

随着微电子产品向高密度、轻小型化的快速发展，通过凸点键合的倒装或叠层式封装已成为主流封装形式，铜柱凸点具有优异的导热和导电性能，同时又可以实现高密度互连，是一种新型的、高密度的封装技术。然而由于单个铜柱凸点所承载的电、热和机械载荷日益加剧，如何抑制界面金属间化合物的过度生长，提高其在多场（电场、热场）等耦合作用下抗原子迁移能力是目前业界关注热点。本项目拟通过电沉积法制备出的具有不同择优取向的Cu（Ni）层，研究择优取向的Cu（Ni）金属与Sn基焊料之间的界面反应规律、界面金属间化合物生长规律，界面孔洞萌生及扩展机制，界面裂纹萌生机制。期望为工业界提供一种性能优异的、高可靠性的择优取向铜柱凸点。

铜柱凸点具有优异导热和导电性能，同时又可以实现高密度互连，是一种新型的、高密度的封装技术。抑制铜柱凸点界面金属间化合物的过度生长，提高其在多场（电场、热场）等耦合作用下抗原子迁移能力是目前业界关注热点。本项目系统研究了择优取向的Cu（Ni）金属与Sn基焊料之间的界面反应规律、界面金属间化合物生长规律，界面孔洞萌生及扩展机制，界面裂纹萌生机制。.1）阐明了取向电镀多晶铜界面形成机制.研究发现，不同取向的Cu/Ni基板与纯Sn界面反应所形成的IMC形貌有明显差异。更为重要的是，(220) Cu/ Sn界面的Cu-Sn IMCs的反应常数是 (200) Cu/ Sn界面的Cu-Sn IMCs反应常数的3倍多。不同的反应速度对空洞形成也有重大影响。由此，在此领域的研究不仅会促进铜柱凸点大规模工业化应用，同时也会促进相变、界面扩散等相关理论的发展。.2）探索了择优取向Sn焊层对界面演变规律及机理 .对不同取向锡层的Cu/Sn扩散体系研究发现，(112)取向锡层的Cu/Sn界面上生成了最多的金属间化合物和最多的孔洞，(420)取向扩散体系生成了最薄的界面IMC最少的孔洞。对孔洞的形成机制的研究发现，孔洞形成有两种类型，分别是初期Cu原子通过晶间扩散形成的晶间孔洞和后期Cu原子通过晶内扩散形成的晶内孔洞。该发现为铜柱凸点焊锡层制备提供了理论指导。.3）探究了微凸点锡晶须生长行为及形成机理.对微凸点锡晶须生长行为及形成机理进行了研究，发现孪晶面是锡晶须的形核点，并有助于锡晶须的进一步生长等微凸点锡晶须生长规律，为微凸点锡晶须控制提供了理论指导。.4）研究了微凸点微尺度效应及相关机理.凸点中界面IMC的生长速度与凸点直径密切相关，直径越小，生长速度越快。添加适当阻挡层有效提高凸点界面反应速度及界面空洞形成速率。为微凸点制造及可靠性提供了理论保证。.我们目前已与工业界合作，期望获得高性能、高可靠性的铜柱凸点。