超声楔形键合界面连接物理机理研究

论文摘要

微电子、光电子系统中芯片级封装超声互连接头界面接合机制问题严重困扰着超声键合设备和技术的创新方向,也直接影响着元器件性能和可靠性。因此,解析超声键合接头界面特征并厘清超声对接合过程所起到的本质作用对于指导封装互连设备升级、提高超声键合技术能力和改善元器件功能及寿命都具有重大意义。本文针对常温超声楔形键合25μm Al-1wt.%Si引线与薄Au层Au/Ni/Cu、厚Au层Au/Ni/Cu、Cu三种焊盘之间形成的接头,原位测量了接头电阻;揭示了接头接合部连接物理过程和特征;考察了Au/Al和Al/Au系统高温老化时接头界面演变特点;运用聚焦离子束-透射电子显微镜（FIB-TEM）方法,在纳观尺度上给出了接头界面构成情况,在原子尺度上观察了界面接合特征;基于固相扩散反应原理,全面阐释了超声楔形键合接头界面弥散有纳米Au8Al3颗粒的固溶体形成过程中超声振动作用的物理实质。设计了原位电阻测试电路,分别考察对比了三种焊盘所形成接头的电阻变化率。随着键合参数增大,接头电阻呈先减小后增大的趋势,最大变化率超过+10%,并且具有周期性波动特点。接头界面有效连接面积和接头上引线横截面变形量的变化分别是造成接头电阻波动性和整体增大趋势的原因。接头电阻与接头拉力测试结果具有很好的互补性,是一个拥有实际物理意义的无损评价接头连接质量的新指标。接头电阻性能的波动性变化特点在一定程度上揭示了超声楔形键合接合过程的周期性特征。机械剥离法和化学腐蚀法去除引线后,利用SEM观察焊盘上接合部印痕,结果发现,表面较硬的薄Au层Au/Ni/Cu焊盘上方向性接合痕特征非常明显,纵向（沿超声振动方向）和在其上的横向（垂直于超声振动方向）接合痕分布具有空间立体特征和周期性规律,它们分别是超声振动和引线径向塑性流动的作用结果;相对较软的其它两种焊盘上接合痕方向性特征不明显。利用高温老化试验方法,对比了Au/Al和Al/Au两系统楔形接头界面演化过程,反演了超声楔形键合接头接合过程开始于接合部周边,尤其是跟部和趾部的特点。采用FIB制备了TEM试样,高分辨透射电子显微镜下观察分析了超声楔形键合接头界面的接合特征。纳观尺度上的TEM明场像和暗场像表明接头界面存在扩散分层现象;EDS线分析证明Al、Au两元素之间发生了互扩散,距离不超过100nm;CBED衍射花样标定结果显示扩散反应层内生成了Au8Al3中间相;原子尺度上的高分辨像揭示了该中间相的晶粒尺度仅有几个纳米,并且离散地分布于扩散反应层内,同时,Al元素向Au层内的扩散具有垂直于界面方向上的阶梯式波浪形的W型扩散和平行于界面方向上的明暗相间干涉花样式的F型扩散的特征。近界面引线和反应层内存在大量孪晶。超声功率能够明显促进界面扩散反应,但是也会造成反应生成层与Au层之间界面的剥离效应。给出了超声楔形键合接合过程和界面特征的模型。根据扩散反应原理,分别分析了热、摩擦、塑性变形和超声（声量子和振动）对接头形成所发挥的作用。综合理论分析和试验结果发现,超声振动效应（振动去膜、摩擦生热、增强塑性、快速剪切流变、搅拌）为接头界面元素扩散提供快速扩散通道的同时,也为较低温度下的扩散提供了驱动能量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 接头接合过程研究
• 1.2.2 界面接合机制探讨
• 1.2.3 HTS可靠性研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 超声楔形键合接头原位电阻测试
• 2.1 试验设备和材料
• 2.2 原位电阻测试原理
• 2.3 超声楔形键合接头电阻性能
• 2.3.1 薄Au层Au/Ni/Cu焊盘上接头电阻变化率
• 2.3.2 厚Au层Au/Ni/Cu焊盘上接头电阻变化率
• 2.3.3 Cu焊盘上接头电阻变化率
• 2.4 接头电阻与拉力性能对比
• 2.5 分析与讨论
• 2.5.1 接头上引线横截面变形率
• 2.5.2 接头电阻与拉力的影响因素分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 超声楔形键合界面接合特征
• 3.1 机械剥离引线后接合部特征
• 3.2 化学腐蚀去除引线后接合部特征
• 3.2.1 薄Au层Au/Ni/Cu 焊盘去除引线后接合部特征
• 3.2.2 厚Au层Au/Ni/Cu焊盘去除引线后接合部特征
• 3.2.3 Cu 焊盘去除引线后接合部特征
• 3.3 讨论与分析
• 3.3.1 键合参数对接合部形成过程的影响
• 3.3.2 应力分布及演化对接合部形成过程的影响
• 3.3.3 焊盘表面金属层状态和硬度对接合部形成过程的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 超声楔形键合老化接头界面的演化
• 4.1 老化试验材料及条件
• 4.2 楔形接头界面演化过程
• 4.2.1 Au/Al系统接头界面演化过程
• 4.2.2 Al/Au系统接头界面演化过程
• 4.3 Au/Al与Al/Au系统楔形接头界面演化过程比较与讨论
• 4.3.1 界面优先生成相成份及位置
• 4.3.2 界面化合物演变过程
• 4.3.3 界面裂纹及缺陷形成原因
• 4.4 本章小结
• 第5章 超声楔形键合界面纳观组织
• 5.1 试验材料及分析设备
• 5.2 TEM试样制备过程
• 5.3 原始引线显微织构
• 5.4 接头界面TEM观察与分析
• 5.4.1 薄Au层Au/Ni/Cu焊盘上接头界面TEM观察与分析
• 5.4.2 厚Au层Au/Ni/Cu焊盘上接头界面TEM观察与分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 超声楔形键合接头界面接合机制分析
• 6.1 楔形接头界面接合特点
• 6.1.1 X-Y平面上接合部接合特点
• 6.1.2 X-Z平面上接头界面接合特点
• 6.2 分析与讨论
• 6.2.1 界面扩散反应过程与分析
• 6.2.2 优先生成相
• 6.2.3 热作用
• 6.2.4 超声作用
• 6.2.5 周期性超声振动效应
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的相关学术论文
• 致谢
• 个人简历