纳米Ni/Sn/微米Ni结构下IMC微互连点形成及力学性能

作     者：钱银海 

作者单位：河南工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：田野;龙旦凤

授予年度：2023年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 07[理学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：三维芯片集成 Ni镀层 微互连点 温度梯度 力学性能 

摘      要：随着三维芯片封装高集成化发展,封装体中微互连点的密度快速增加。这要求互连点的尺度大幅度降低,致使界面金属间化合物(Intermetallic Compound,IMC)占比不断增加,由此出现热疲劳、电迁移及重熔坍塌等难题。本论文提出了基于(热端)纳米Ni/Sn/(冷端)微米Ni结构的温度梯度瞬时液相(Temperature Gradient Transient Liquid Phase,TG-TLP)键合法,快速制备力学可靠的IMC微互连点。研究了跨晶粒尺度Ni镀层界面IMC生长和形貌演变,分析了晶粒尺度对其影响,提出了纳米Ni/Sn/微米Ni键合结构;研究了TG-TLP条件下微互连点界面IMC生长及形貌演变,讨论了界面IMC的生长动力学机制,并表征了微互连点的力学性能。研究结果如下:(1)通过直流电镀法,制备出纳米Ni和微米Ni跨晶粒尺度的Ni镀层,晶粒直径约为21nm和1.2μm。在固液反应中纳米Ni/Sn界面NiSn具有较快的生长速率,而微米Ni/Sn界面NiSn生长速率较慢,这主要与纳米Ni镀层提供更多形核位置有关;在固液反应中纳米Ni/Sn界面NiSn形貌由初始的细棒状逐渐向细棒状和块状混合形貌演变,微米Ni/Sn界面NiSn形貌由初始的小块状向粗大的块状演变。微米Ni界面NiSn的块状形貌和纳米Ni界面NiSn的快速生长分别有利于IMC微互连点的力学可靠和快速形成。(2)根据跨晶粒尺度Ni镀层界面NiSn生长及形貌特征,提出了基于(热端)纳米Ni/Sn/(冷端)微米Ni结构的TG-TLP键合法,在13min内快速制备出无缺陷的NiSn微互连点。在反应过程中微互连点冷、热两端界面NiSn呈非均匀化生长,冷端微米Ni界面NiSn生长速率较快,形貌为块状;热端纳米Ni界面NiSn几乎无生长,形貌为细棒状;随着时间到达13min,冷端界面粗大块状NiSn贯穿整个钎料,快速形成了无缺陷的NiSn微互连点。温度梯度驱动Ni原子扩散和纳米Ni界面大量的细棒状NiSn晶粒是IMC微互连点快速形成的主要原因。(3)在TLP反应中微互连点纳米Ni界面细棒状NiSn生长速率显著快于微米Ni界面块状NiSn。在反应15min后形成了NiSn微互连点,该微互连点存在着明显的孔洞缺陷,这与纳米Ni界面细棒状和块状NiSn主导了IMC互连点形成有关。TG-TLP条件下形成的NiSn微互连点剪切强度为69.3Mpa,表现出良好的力学可靠性。