微互连焊点Cu-Sn金属间化合物晶粒取向及各向异性研究

2020-12-13阅读(749)

论文摘要

受高性能计算和电子器件小型化的驱动,硅通孔（Through Silicon Vias, TSV）工艺成为3D封装中芯片垂直互连的关键技术。但TSV中焊盘尺寸不断减小,所造成的焊点中金属间化合物（Intermetallic Compound, IMC）比例增加以及焊盘本身所含晶粒数目减少,会对界面IMCs取向产生影响。并且当焊点中IMCs比重增大、晶粒数目有限且具有一定的择优取向时,焊点的力学性能会产生较大的变化。因此,深入研究多、单晶焊盘上IMCs晶粒的取向及性能各向异性具有重要意义。本文对Sn3.0Ag0.5Cu/Cu微小焊点中的IMCs进行了系统研究。首先分别观察分析了多、单晶铜与Sn3.0Ag0.5Cu（SAC）钎料在不同重熔温度、时间、冷却速度和老化条件下界面Cu6Sn5的形貌,研究了不同形态Cu6Sn5的生长动力学;然后采用电子背散射衍射技术（Electron Backscatter Diffraction, EBSD）结合取向成像电子显微分析系统（Orientation Imaging Microscopy, OIM）分析的方法对Cu6Sn5晶粒与焊盘的取向关系进行了全面而系统研究,建立了Cu6Sn5形貌与取向的联系,并阐述了钎料基体内部中空结构Cu6Sn5的形成机理;最后采用纳米压痕等实验方法研究了Cu6Sn5的弹性及塑性各向异性。研究结果表明:焊点界面Cu6Sn5形貌与焊盘取向、工艺参数等因素有关,随重熔温度升高,Cu6Sn5由扇贝状向棱柱状转变,单晶焊盘上的棱柱状Cu6Sn5规则排列;Cu6Sn5表面纳米尺度Ag3Sn颗粒的形成机制可用活性物质的吸附理论解释;多晶铜焊盘上的Cu6Sn5晶粒和单晶铜在250℃下生成的扇贝状Cu6Sn5晶粒具有{0001}面和焊盘成30°～50°夹角的取向关系;SAC/单晶Cu界面在300℃时生成的规则棱柱状Cu6Sn5晶粒均具有{0001}晶面垂直于焊盘、{ 2110 }面平行于焊盘平面、<0001>晶向平行于Cu的<110>晶向的取向关系。这种择优取向是由于低的错配度导致的,且取向关系不受老化的影响;建立了Cu6Sn5晶粒形貌与取向之间的联系,钎料基体内中空结构Cu6Sn5的形成机理可以用晶体生长的布拉维法则进行解释。Cu6Sn5弹性模量存在各向异性,密排<0001>晶向的弹性模量最大,各向异性程度可达16.3%;不同取向焊盘上Cu6Sn5存在塑性各向异性,（001）单晶铜界面Cu6Sn5晶粒的平均Schmid因子各向异性最强烈,多晶铜最弱。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 课题背景及研究目的

1.2 国内外的研究现状

1.2.1 Cu-Sn金属间化合物的晶体结构研究

6Sn₅晶粒的形貌和取向研究'>1.2.2 多晶铜和单晶铜界面Cu₆Sn₅晶粒的形貌和取向研究

1.2.3 焊点界面IMCs生长动力学研究

3Sn颗粒的研究'>1.2.4 焊点界面IMCs表面纳米Ag₃Sn颗粒的研究

1.2.5 微小焊点力学行为研究

1.3 本文的主要研究内容

第2章材料及实验方法

2.1 实验过程概述

2.2 实验材料和设备

2.2.1 实验材料

2.2.2 实验设备

2.3 试样制备及实验方法

2.3.1 钎焊及老化

2.3.2 SEM形貌观察试样制备

2.3.3 EBSD试样制备及测试

2.3.4 纳米压痕测试

2.4 晶体取向测试及分析原理

2.4.1 EBSD技术的工作原理

2.4.2 晶体取向坐标的建立

2.4.3 晶体取向图像表示原理

2.5 本章小结

第3章 SAC/Cu界面IMCs形貌及生长动力学研究

3.1 SAC/Cu界面IMCs形貌观察

3.1.1 重熔温度对界面IMCs形貌的影响

3.1.2 重熔时间对界面IMCs形貌的影响

3.1.3 冷却速度对界面IMCs形貌的影响

3.1.4 等温老化对界面IMCs形貌的影响

3.2 界面IMCs厚度计算及生长动力学研究

3.2.1 Cu-Sn系统固-液反应过程及界面IMCs生长动力学

3.2.2 Cu-Sn系统固态反应过程及界面IMCs生长动力学

6Sn₅表面纳米Ag₃Sn颗粒的吸附现'>3.3 界面Cu₆Sn₅表面纳米Ag₃Sn颗粒的吸附现

3Sn颗粒形貌及影响因素'>3.3.1 纳米Ag₃Sn颗粒形貌及影响因素

3Sn颗粒的形成机制'>3.3.2 纳米Ag₃Sn颗粒的形成机制

3.4 本章小结

6Sn₅的取向分析'>第4章 SAC/Cu界面Cu₆Sn₅的取向分析

6Sn₅取向分析'>4.1 SAC/多晶Cu界面Cu₆Sn₅取向分析

6Sn₅取向分析'>4.1.1 多晶铜上250℃扇贝状Cu₆Sn₅取向分析

6Sn₅取向分析'>4.1.2 多晶铜上300℃不规则棱柱状Cu₆Sn₅取向分析

6Sn₅晶粒的取向差角分析'>4.1.3 多晶铜上不同形态Cu₆Sn₅晶粒的取向差角分析

6Sn₅取向分析'>4.2 SAC/单晶Cu界面Cu₆Sn₅取向分析

4.2.1 （001）和（111）单晶铜取向确认分析

6Sn₅取向分析'>4.2.2 单晶铜上250℃扇贝状Cu₆Sn₅取向分析

6Sn₅取向分析'>4.2.3 单晶铜上300℃规则棱柱状Cu₆Sn₅取向分析

6Sn₅晶粒取向差角分析'>4.2.4 单晶铜界面Cu₆Sn₅晶粒取向差角分析

6Sn₅取向的影响'>4.2.5 老化对单晶铜上规则棱柱状Cu₆Sn₅取向的影响

6Sn₅晶粒取向结果讨论'>4.2.6 单晶铜界面Cu₆Sn₅晶粒取向结果讨论

4.3 本章小结

6Sn₅晶体的性能各向异性研究'>第5章 Cu₆Sn₅晶体的性能各向异性研究

6Sn₅晶粒形貌与取向的关系'>5.1 Cu₆Sn₅晶粒形貌与取向的关系

6Sn₅中空结构的形成机理'>5.2 Cu₆Sn₅中空结构的形成机理

6Sn₅晶体弹性各向异性研究'>5.3 Cu₆Sn₅晶体弹性各向异性研究

6Sn₅晶体塑性各向异性研究'>5.4 Cu₆Sn₅晶体塑性各向异性研究

5.4.1 施密特（Schmid）定律

6Sn₅晶粒的Schmid因子分布与计算'>5.4.2 界面Cu₆Sn₅晶粒的Schmid因子分布与计算

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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