inxni复合粉末低温过渡液相连接焊点键合工艺研究【字数：11073】
摘 要集成电路相关产业自出现以来已经发展了60多年，然而近年来受限于工艺、制程和材料的瓶颈，发展呈现疲软的状态，而3D封装是各封装技术中最具发展前景的一种。In-Ni体系是一种低温键合体系，采用具有低温键合、高温服役特点的TLP技术能够制备出满足要求的焊点。本文主要研究键合工艺对Cu/In-xNi/Cu焊点组织和力学性能的影响。根据控制变量法确定出较优的钎料成分，其次采用不同的键合时间、键合压力和键合温度，研究了TLP焊点中基体以及界面处的IMC和孔洞的数量和形态的变化情况。结合焊点的剪切强度，综合判定较优的键合工艺。结果表明In-30Ni为较优的钎料成分；随着键合时间的增加，焊点中剩余的单质In逐渐减少，键合120min后焊点中的焊点中的Cu11In9相向Cu2In相转变，并且IMC形态和数量达到较优的状态，剪切强度随时间的增加，出现先升高后降低的现象，键合120min时，剪切强度达到最大值9.24MPa；随着键合压力的增大，IMC相数量增多，并且更加均匀连续，剪切强度随压力的增加，呈现先升高后降低的趋势，压力为3MPa时剪切强度最大为9.36MPa；随着键合温度的增加，焊点中IMC数量逐渐增多，未反应的剩余In逐渐减少，但在300℃下键合时，产生了连续的孔洞。剪切强度温度的升高，出现先升高后降低的现象，在280℃时达到最大为9.71MPa；从剪切强度，金相组织以及加工工艺上综合分析，确定较优的键合工艺参数为120min，3MPa，260℃。摘 要 Ⅰ
目 录
Abstract Ⅱ
第1章 绪 论 1
1.1 引言 1
1.2 课题目的及意义 2
1.3 国内外研究现状 2
1.4 本课题研究内容 4
1.5 本课题研究的技术路线 4
第2章 试验材料及方法 6
2.1 试验材料 6
2.2 试验过程 6
2.2.1 复合钎料粉末的制备 6
2.2.2 试件表面处理 6
2.2.3 键合试验 6
2.2.4 键合工艺 7
2.3 钎焊接头显微组织与力学性能分析 7
2.3.1 钎焊接头显微组织 7
2.3.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
钎焊接头剪切强度测试 7
2.4 本章小结 8
第3章Ni含量对Cu/InxNi/Cu焊点组织和剪切强度的影响 9
3.1 Ni含量对Cu/InxNi/Cu焊点组织的影响 9
3.2 Ni含量对Cu/InxNi/Cu焊点剪切强度的影响 10
3.3 本章小结 11
第4章 键合时间对Cu/In30Ni/Cu焊点组织和剪切强度的影响 12
4.1 键合时间对Cu/In30Ni/Cu焊点组织的影响 12 4.2 键合时间对Cu/In30Ni/Cu焊点剪切强度的影响 13
4.3 本章小结 14
第5章 键合压力对Cu/In30Ni/Cu焊点组织和剪切强度的影响 16
5.1 键合压力对Cu/In30Ni/Cu焊点组织的影响 16
5.2 键合压力对Cu/In30Ni/Cu焊点剪切强度的影响 17
5.3 本章小结 18
第6章 键合温度对Cu/In30Ni/Cu焊点组织和剪切强度的影响 19
6.1 键合温度对Cu/In30Ni/Cu焊点组织的影响 19
6.2 键合温度对Cu/In30Ni/Cu焊点剪切强度的影响 20
6.3 本章小结 21
第7章 结论 23
参考文献 24
致谢 26
第1章 绪 论
1.1 引言
自1958年第一颗集成电路发明至今，集成电路相关产业已经走过了60年的发展历史。在这60年中，半导体先进制程依照着摩尔定律得到了快速发展。但进入最近几年，受限于工艺、制程和材料的瓶颈，摩尔定律开始呈现疲软的状态，联电和格芯也先后终止了先进工艺的研发，英特尔也在10nm上面踟蹰不前。于是集成电路业者开始探讨后摩尔定律时代下集成电路的发展方向，而3D封装则是其中一个选择。
3D封装号称是超越摩尔定律瓶颈的最大“杀手锏”，又称立体封装技术，是在XY平台的二维封装的基础上向z方向发展的高密度封装技术。与传统封装相比，使用3D技术可缩短尺寸、减轻重量达4050倍;在速度方面，3D技术节约的功率可使3D元件以每秒更快的转换速度运转而不增加能耗，寄生性电容和电感得以降低，同时，3D封装也能更有效地利用硅片的有效区域。这种封装在集成度、性能、功耗等方面更具优势，同时设计自由度更高，开发时间更短，是各封装技术中最具发展前景的一种。
现阶段开发的可应用于3D封装领域的互连技术主要包括金属热压键合、粘合剂键合和硅芯片键合[1]。但是，这些互连技术有其自身的局限性，如键合温度高、热失配严重、耐高温性能差等。
目前一种很有发展前景的低温键合方法——瞬间液相扩散连接技术（TLP，transient liquid phase）是扩散焊的一种连接方式，它是指在被焊母材之间放入含有降低熔点元素的中间层合金，依靠中间层合金的直接熔化或中间层和母材之间的扩散共晶反应产生液相，随后等温凝固和成分均匀化形成焊接接头的连接工艺。就本质而言，TLP连接中的扩散在狭义上讲就是降低熔点的元素，（Melting point depressant elements，简称的扩散元素）MPD元素的充分扩散是焊接成败的命脉；而合理选定中间层则是起内因方面的首要前提。扩散的目的就在于试图使中间层中元素的浓度降至足够低，以达到如提高接头的重熔温度，消除中间层中的脆性相使其改变成固熔体等目的，中间层成分的这种显著且合理的质的变化乃至中间层的消失正是该方法中（“过渡”或“瞬时”）一词的含义所在。
在TLP焊接中，接头中出现孔洞是不可避免的焊接缺欠，允许存在但必须加以控制。相关研究表明[14]，孔洞的形成主要原因有以下三个方面：一是由于母材表面不够平整，微观下存在大量起伏，造成局部区域未焊合最终形成孔洞；二是因为扩散层中存在中间相，造成应力集中和开裂，留下了不连续的孔洞；三是因为保温时间过长或过短，原子扩散产生空洞。尽管存在一些美中不足的地方，但是TLP技术仍以其特有的优势成为人们现阶段研究的热点。该方法通过添加MPD元素，能够在相对低的温度下完成键合，最终焊点中将仅存在高熔点的金属间化合物，这样焊点就能够达到高温服役的要求。
1.2 课题目的及意义
在TLP键合中常见的几种体系是：CuSn、CuIn、AgSn以及AgIn[25]。由于Cu、Sn储量巨大，具有良好经济性，因此目前对CuSn体系的研究较为广泛，而对其他三种体系的研究相对较少。相较于CuSn体系，在InNi体系中，In的熔点为156℃，低于熔点为231℃的Sn元素，键合后形成的金属间化合物主要为Ni3In7，熔点达407℃，实现了“低温键合，高温服役”的要求。因此，InNi体系具有良好的应用前景，但目前对该体系的研究较少，并且对不同工艺参数下焊点的微观组织演变及相应力学性能的变化也没有系统深入的研究。不同IMC相的熔点相差很大，若要满足焊点高温服役的要求，就必须在焊缝中形成高熔点的IMC相，所以研究不同工艺参数下焊点的微观结构演变是十分有必要的。
目 录
Abstract Ⅱ
第1章 绪 论 1
1.1 引言 1
1.2 课题目的及意义 2
1.3 国内外研究现状 2
1.4 本课题研究内容 4
1.5 本课题研究的技术路线 4
第2章 试验材料及方法 6
2.1 试验材料 6
2.2 试验过程 6
2.2.1 复合钎料粉末的制备 6
2.2.2 试件表面处理 6
2.2.3 键合试验 6
2.2.4 键合工艺 7
2.3 钎焊接头显微组织与力学性能分析 7
2.3.1 钎焊接头显微组织 7
2.3.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
钎焊接头剪切强度测试 7
2.4 本章小结 8
第3章Ni含量对Cu/InxNi/Cu焊点组织和剪切强度的影响 9
3.1 Ni含量对Cu/InxNi/Cu焊点组织的影响 9
3.2 Ni含量对Cu/InxNi/Cu焊点剪切强度的影响 10
3.3 本章小结 11
第4章 键合时间对Cu/In30Ni/Cu焊点组织和剪切强度的影响 12
4.1 键合时间对Cu/In30Ni/Cu焊点组织的影响 12 4.2 键合时间对Cu/In30Ni/Cu焊点剪切强度的影响 13
4.3 本章小结 14
第5章 键合压力对Cu/In30Ni/Cu焊点组织和剪切强度的影响 16
5.1 键合压力对Cu/In30Ni/Cu焊点组织的影响 16
5.2 键合压力对Cu/In30Ni/Cu焊点剪切强度的影响 17
5.3 本章小结 18
第6章 键合温度对Cu/In30Ni/Cu焊点组织和剪切强度的影响 19
6.1 键合温度对Cu/In30Ni/Cu焊点组织的影响 19
6.2 键合温度对Cu/In30Ni/Cu焊点剪切强度的影响 20
6.3 本章小结 21
第7章 结论 23
参考文献 24
致谢 26
第1章 绪 论
1.1 引言
自1958年第一颗集成电路发明至今，集成电路相关产业已经走过了60年的发展历史。在这60年中，半导体先进制程依照着摩尔定律得到了快速发展。但进入最近几年，受限于工艺、制程和材料的瓶颈，摩尔定律开始呈现疲软的状态，联电和格芯也先后终止了先进工艺的研发，英特尔也在10nm上面踟蹰不前。于是集成电路业者开始探讨后摩尔定律时代下集成电路的发展方向，而3D封装则是其中一个选择。
3D封装号称是超越摩尔定律瓶颈的最大“杀手锏”，又称立体封装技术，是在XY平台的二维封装的基础上向z方向发展的高密度封装技术。与传统封装相比，使用3D技术可缩短尺寸、减轻重量达4050倍;在速度方面，3D技术节约的功率可使3D元件以每秒更快的转换速度运转而不增加能耗，寄生性电容和电感得以降低，同时，3D封装也能更有效地利用硅片的有效区域。这种封装在集成度、性能、功耗等方面更具优势，同时设计自由度更高，开发时间更短，是各封装技术中最具发展前景的一种。
现阶段开发的可应用于3D封装领域的互连技术主要包括金属热压键合、粘合剂键合和硅芯片键合[1]。但是，这些互连技术有其自身的局限性，如键合温度高、热失配严重、耐高温性能差等。
目前一种很有发展前景的低温键合方法——瞬间液相扩散连接技术（TLP，transient liquid phase）是扩散焊的一种连接方式，它是指在被焊母材之间放入含有降低熔点元素的中间层合金，依靠中间层合金的直接熔化或中间层和母材之间的扩散共晶反应产生液相，随后等温凝固和成分均匀化形成焊接接头的连接工艺。就本质而言，TLP连接中的扩散在狭义上讲就是降低熔点的元素，（Melting point depressant elements，简称的扩散元素）MPD元素的充分扩散是焊接成败的命脉；而合理选定中间层则是起内因方面的首要前提。扩散的目的就在于试图使中间层中元素的浓度降至足够低，以达到如提高接头的重熔温度，消除中间层中的脆性相使其改变成固熔体等目的，中间层成分的这种显著且合理的质的变化乃至中间层的消失正是该方法中（“过渡”或“瞬时”）一词的含义所在。
在TLP焊接中，接头中出现孔洞是不可避免的焊接缺欠，允许存在但必须加以控制。相关研究表明[14]，孔洞的形成主要原因有以下三个方面：一是由于母材表面不够平整，微观下存在大量起伏，造成局部区域未焊合最终形成孔洞；二是因为扩散层中存在中间相，造成应力集中和开裂，留下了不连续的孔洞；三是因为保温时间过长或过短，原子扩散产生空洞。尽管存在一些美中不足的地方，但是TLP技术仍以其特有的优势成为人们现阶段研究的热点。该方法通过添加MPD元素，能够在相对低的温度下完成键合，最终焊点中将仅存在高熔点的金属间化合物，这样焊点就能够达到高温服役的要求。
1.2 课题目的及意义
在TLP键合中常见的几种体系是：CuSn、CuIn、AgSn以及AgIn[25]。由于Cu、Sn储量巨大，具有良好经济性，因此目前对CuSn体系的研究较为广泛，而对其他三种体系的研究相对较少。相较于CuSn体系，在InNi体系中，In的熔点为156℃，低于熔点为231℃的Sn元素，键合后形成的金属间化合物主要为Ni3In7，熔点达407℃，实现了“低温键合，高温服役”的要求。因此，InNi体系具有良好的应用前景，但目前对该体系的研究较少，并且对不同工艺参数下焊点的微观组织演变及相应力学性能的变化也没有系统深入的研究。不同IMC相的熔点相差很大，若要满足焊点高温服役的要求，就必须在焊缝中形成高熔点的IMC相，所以研究不同工艺参数下焊点的微观结构演变是十分有必要的。
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