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共晶镓铟增强纳/微铜焊膏的制备及键合性能研究

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共晶镓铟增强纳/微铜焊膏的制备及键合性能研究

作者：李昊重庆大学

学位级别：硕士

纳米铜介质材料凭借其优良的导电导热性能、良好的抗电迁移性能、较低的经济成本等特点,成为了极具前景的新一代芯片键合材料。然而,由于铜纳米颗粒极易氧化,键合过程中仍存在温度过高、时间过长、压力过大、接头易氧化以及孔隙率过高... 详细信息

纳米铜介质材料凭借其优良的导电导热性能、良好的抗电迁移性能、较低的经济成本等特点,成为了极具前景的新一代芯片键合材料。然而,由于铜纳米颗粒极易氧化,键合过程中仍存在温度过高、时间过长、压力过大、接头易氧化以及孔隙率过高等问题,这些不足很大程度上限制了铜纳米颗粒在电子封装领域内的应用。镓基液态金属在室温下具有流动性的特点,可以在低温下填充键合接头处的孔隙,并与其周围的铜形成稳定的金属间化合物,从而有望解决Cu-Cu键合接头孔隙率过高与易氧化的缺陷,提升接头的键合性能。但目前基于镓基液态金属强化Cu-Cu接头键合性能的研究较少。因此,本研究对镓基液态金属与纳米铜颗粒在低温下的键合规律进行探索,为镓基液态金属增强Cu-Cu键合提供理论参考依据。本研究采用机械搅拌法,通过调控共晶镓铟与微米铜颗粒的质量配比来制备共晶镓铟复合微米铜颗粒,并将纳米铜颗粒与复合微米铜颗粒按照9/1的质量配比制备成共晶镓铟增强纳/微铜混合焊膏。通过对混合焊膏低温烧结制备的Cu-Cu键合接头性能的研究,探明不同含量共晶镓铟对接头性能的增强规律。同时通过恒温老化实验,结合微观组织分析,研究共晶镓铟增强Cu-Cu键合接头的老化性能。本研究的主要结论有以下几点:(1)在室温下,共晶镓铟与微米铜颗粒的质量配比为60/40时,微米铜颗粒表面被共晶镓铟完全包裹并在其表面形成Cu Ga,制备出的共晶镓铟增强纳/微铜混合焊膏在烧结温度为260℃和无压条件下形成的键合结构的致密度最高。相比于传统的纳/微铜混合焊膏,共晶镓铟增强纳/微铜混合焊膏烧结特性更好,提升了Cu-Cu接头在低温和低压环境下键合层的致密度。(2)共晶镓铟与微米铜颗粒的质量配比为60/40时,在烧结温度260℃和烧结压力为5 MPa真空环境下烧结20 min,所制备的Cu-Cu键合接头有最好的键合性能,其平均剪切强度与平均电阻率分别为27.63 MPa和6.15μΩ·cm。由于共晶镓铟复合微米铜颗粒上存在少量的游离态液态金属Ga,能够很好地填充不同粒径铜颗粒间的缝隙,并生成金属间化合物Cu Ga,从而提升了接头的键合强度,降低了键合层电阻率。(3)恒温老化环境下,共晶镓铟添加量对Cu-Cu键合接头的老化性能有显著的影响。经空气中恒温老化后,一方面键合结构受到严重的氧化作用,烧结组织变得疏松,键合性能衰减,另一方面键合结构中多余的游离态液态金属Ga与纳米铜键合结构形成金属间化合物Cu Ga。从而填充纳/微铜键合结构中的孔隙,提升键合层的致密度并提高键合性能。共晶镓铟与微米铜颗粒的质量配比为60/40时,老化后Cu-Cu键合样品的平均剪切强度由27.63 MPa降至25.8 MPa,电阻率由6.15μΩ·cm升至7.15μΩ·cm,热导率由118.23 W·m·K降至101.69 W·m·K。

关键词： Cu-Cu键合共晶镓铟微观组织键合性能热老化

微流控芯片热键合界面强度形成机理与键合性能研究

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微流控芯片热键合界面强度形成机理与键合性能研究

作者：罗鸿欣中南大学

学位级别：硕士

微流控技术可以在生物与化学分析领域进行大量实验,包括样品的准确提取、处理、提纯、检验,细胞的培育、筛选、裂解等。该技术具有很大的潜力来替代传统的实验室分析方法,展现出广泛的应用前景和国内外市场。注射成型技术可以大规模地... 详细信息

微流控技术可以在生物与化学分析领域进行大量实验,包括样品的准确提取、处理、提纯、检验,细胞的培育、筛选、裂解等。该技术具有很大的潜力来替代传统的实验室分析方法,展现出广泛的应用前景和国内外市场。注射成型技术可以大规模地制造微流控芯片,芯片成型需保证微通道复制度、残余应力与翘曲变形等指标良好,可以有效提高后续芯片键合的质量。模内键合技术可以将键合工序整合到一套注射成型模具内,从而实现芯片的成型、对准以及键合,该方法可以有效解决工序繁杂和周期长等问题,但在键合过程中如何精准控制模温亟须解决。以芯片的键合机理为依托,实验探究芯片兼顾键合强度和微通道变形的最优键合参数。为保证芯片正常执行分析检测等功能,对芯片的键合性能进行检测,主要研究工作与成果如下:(1)采用分子动力学方法模拟了基片与盖片热键合过程。研究表明,惰性官能团(C-O-C)使聚合物分子链呈现出未展开的构型,链末端可以大幅摆动以寻找氢键位点,导致分子链穿透深度不规则。压力促使分子向键合界面移动,温度对分子链的排列和迁移的影响无规律,分子间距达到0.5nm时,范德华力和排斥力共同作用。单轴拉伸过程中,键合界面会优先分离,缠结程度不规则导致链的拔出不规则。(2)通过灰色关联法,设计微流控芯片微通道复制度、残余应力以及翘曲变形三个关键指标的优化方案,实现多目标优化,从而得到成型质量优良的基片和盖片。基于高动态变模温键合实验平台,采用单因素实验法探究键合参数对芯片键合强度的影响,设计正交实验,采用综合平衡法探究最优键合参数。研究表明,键合温度的影响程度最大,最佳键合工艺参数下芯片的拉伸强度为0.608MPa,剪切强度为6.237MPa,微通道面积比为81.74%。(3)针对芯片键合后的键合性能,对芯片微通道的承压能力、抵抗自开裂的能力和耐热的能力进行了检测。研究表明,最优键合参数的选取具有可靠性,芯片在一定周期内有良好的抵抗自开裂的能力,并且拥有良好的耐热性。图55幅,表22个,参考文献89篇

关键词：微流控芯片注射成型模内键合键合机理键合性能

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钝化处理后银合金键合丝键合性能研究

钝化处理后银合金键合丝键合性能研究

作者：周志强广东工业大学

学位级别：硕士

封装工艺随着微电子技术的快速发展,从最初的半导体边缘工艺逐渐成为了半导体行业的重要组成部分。而引线键合作为一种传统封装互联技术,可在芯片与引线框架之间实现信号传递和电气互联,简单的工艺和廉价的成本使其在电子元器件中的应... 详细信息

封装工艺随着微电子技术的快速发展,从最初的半导体边缘工艺逐渐成为了半导体行业的重要组成部分。而引线键合作为一种传统封装互联技术,可在芯片与引线框架之间实现信号传递和电气互联,简单的工艺和廉价的成本使其在电子元器件中的应用比例达到80%。键合丝作为引线键合的原材料有着多样的形式,金线、银线和铜线等可以适应多种封装,而金线价格贵,铜线硬度高、可加工窗口小等缺点阻碍了它们在引线键合中的应用。银合金键合线作为一种传统的引线键合材料,价格适中、延展性好、理化性能优异,解决了金线和铜线所存在的问题,在电子封装中得到了广泛的应用。但其易硫化的特性尚未得到充分地解决,现有的表面抗氧化和抗硫化处理是在银合金键合丝内加入不同含量的金来提高其防变色性能,成本很高。本实验室开发的化学钝化高稳定防变色方法解决了银合金键合丝易硫化问题,但出现了键合后键合性能不足的缺陷,阻碍了银合金键合丝在新领域的应用。本文运用阴极钝化的方法创造性的在钝化液中加入微量的钯离子,在化学钝化的同时,微量的钯共沉积在钝化层内,不仅能显著提高银合金键合丝的抗硫化性能,而且还能保持银合金键合丝的键合性能,实现银合金键合丝在生产应用中的高效化和普及化。本文以提高银合金键合丝的键合性能为中心展开研究,提出用一种含钯钝化液对银合金键合丝进行阴极钝化处理,改善键合丝的性能。主要研究了银合金键合丝钝化过程中的钝化电压以及钝化时间对键合丝表面质量和防硫化效果等方面的影响,同时对比几种不同条件下处理后的银合金键合丝的反光性能、机械性能和键合性能,最后对本文实验结论的机理进行研究。研究发现含钯钝化液处理后的银合金键合丝与原钝化液处理和未处理的银合金键合丝相比,防硫化性能有着明显地提升,在硫化物气体浓度为10 g/m的环境中放置60 min后含钯钝化液处理的银合金键合丝表面仍然呈现银白色,反光率仅下降10%,而原钝化液处理和未处理的银合金键合丝表面呈现黄色和黑色,反光率分别下降22%和85%。在键合性能方面,含钯钝化液处理的银合金键合丝与原钝化液处理后的键合丝第一焊点剪切力相比,含钯钝化液处理后的银合金键合丝结合强度从20.37 gf提高至28.02 gf,结合力提高了37.5%。对含钯钝化液钝化处理后银合金键合丝性能改善机理分析发现,钯的添加降低了键合过程中焊球的表面能,增加了焊球的润湿性,因此形成了更小的接触角,键合的结合面积增大,键合性能得到了提高。本研究结果可以为键合丝提供一种简便的性能提升改善方法。

关键词：银合金键合丝键合性能防硫化性能阴极钝化

铜基键合丝氧化行为及其对超声键合性能的影响

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铜基键合丝氧化行为及其对超声键合性能的影响

作者：张天杰哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

铜基键合丝是微电子封装行业重要的基础材料,环境氧化常诱发键合丝封装接头连接失效,制约电子产品的可靠性。本研究针对烟台一诺电子材料有限公司三种铜基键合丝YC2(20微米纯铜线)、YC3(20微米合金铜线)、YCP(20微米镀钯铜线)应用过程... 详细信息

铜基键合丝是微电子封装行业重要的基础材料,环境氧化常诱发键合丝封装接头连接失效,制约电子产品的可靠性。本研究针对烟台一诺电子材料有限公司三种铜基键合丝YC2(20微米纯铜线)、YC3(20微米合金铜线)、YCP(20微米镀钯铜线)应用过程出现的性能波动问题,通过环境温度变量实验方法,开展微米级铜基键合丝氧化行为与键合性能相关性研究,探求氧化温度、材料特性、烧球过程等因素对键合能力及性能的影响规律,确定氧化状态对键合丝成球能力、键合能力的影响,探讨通过工艺优化改善键合性能的可行性,提出氧化键合丝的键合工艺建议,进而为企业品控管理和产品使用规范建设提供借鉴。全文研究内容和研究结果如下:(1)环境氧化不同程度降低YC2、YC3、YCP的导电性能,电阻增长率可以用来评定键合丝的可键合能力。在可键合氧化周期内,环境温度对电阻增长率具有显著影响,三种铜基键合丝电阻随温度的增长速率为:0.618 mΩ/min?m、1.092 mΩ/min?m、1.5428mΩ/min?m,当每米YC2、YC3、YCP电阻增幅分别达到3.51%、2.40%、0.80%时,氧化键合丝不能再进行有效键合。(2)合金成分不同程度影响20μm级线径氧化YC2、YC3、YCP的力学性能。试验周期内,100℃环境氧化YC2、YC3、YCP破断力下降速率依次为:0.0126 gf/min?m、0.0168 gf/min?m、0.1630 gf/day?m;150℃环境氧化YC2、YC3、YCP破断力下降速率依次为:0.0123 gf/min?m、0.0445 gf/min?m、0.0103 gf/min?m;200℃环境氧化YC2、YC3、YCP破断力下降速率依次为:0.0449 gf/min?m、0.1570 gf/min?m、0.0172 gf/min?m。研究结果表明非镀层键合丝具有较高的抗拉强度-温度敏感性,抗氧化镀层可以在短期内保持键合丝的力学性能。(3)环境温度氧化降低非镀层键合丝YC2、YC3的成球质量及键合能力,镀钯层可以有效提升YCP的键合能力。环境氧化对丝材键合能力的影响主要表现为氧化膜诱发成球偏心、键合强度及界面接合性能下降;氧化影响YCP的FAB(空气自由球)硬度,造成过度键合现象。(4)优化键合工艺能够有效提升长时氧化键合丝的可键合能力及接头键合强度。通过优化超声电流、压焊电流、压焊压力、键合温度、保护气流量等参数,可以改善线材表面氧化导致的成球FAB偏心问题,降低表面氧化引起的键合损伤;确定调控键合参数-氧化状态-键合能力间的内在关系,在可调控参数区间内通过增大键合参数来适配氧化键合丝的键合性能要求。

关键词：铜基键合丝超声键合环境氧化键合性能工艺优化

可以达到或超过金线键合性能和焊接效率的铜线

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集成电路应用 2011年第9期28卷 22-23,25页

作者：袁毅香港微连接国际有限公司

金价不断上涨增加了半导体制造业的成本压力，因此业界一直在改善铜线的性能上努力，希望最终能够用成本更低但键合性能相当甚至更好的铜线来代替金线键合。

关键词：键合性能铜线焊接效率金半导体制造业成本

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微电子封装金包银复合键合丝的微结构和性能

半导体技术 2018年第9期43卷 702-707页

作者：康菲菲周文艳吴永瑾杨国祥孔建稳裴洪营贵研铂业股份有限公司稀贵金属综合利用新技术国家重点实验室昆明650106 昆明贵金属研究所昆明650106

采用固相复合及大塑性拉拔技术制备了线径0.020 mm的金包银复合键合丝,并利用扫描电子显微镜、双束电子显微镜、单轴拉伸实验、电阻率实验、键合实验、线弧挑断实验及焊球推力实验等对其微结构和性能进行表征。结果表明：金包银复合键... 详细信息

采用固相复合及大塑性拉拔技术制备了线径0.020 mm的金包银复合键合丝,并利用扫描电子显微镜、双束电子显微镜、单轴拉伸实验、电阻率实验、键合实验、线弧挑断实验及焊球推力实验等对其微结构和性能进行表征。结果表明：金包银复合键合丝的复层达到纳米级尺度,在芯材表面均匀连续覆盖,与芯材的界面结合力好。芯材横截面组织为等轴晶,晶粒细小弥散且内部有大量的板条状平行的退火孪晶。金包银复合键合丝具有较高的抗拉强度（230 MPa）和延伸率（15%）,其强化机制为界面强化和细晶强化,其电性能受表面/界面以及晶界散射的影响而变差。金包银复合键合线弧形稳定,具有较高的键合可靠性,其挑断力（7.79g）与焊球推力（49.7g）均满足微电子封装技术对键合丝的品质要求。

关键词：微电子封装金包银复合键合丝退火孪晶强度电性能键合性能

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电子封装单晶铜键合丝制备工艺及性能研究

电子封装单晶铜键合丝制备工艺及性能研究

作者：曹军兰州理工大学

学位级别：硕士

铜丝引线互连技术的应用已经成为微电子封装业的趋势，研究表明，铜键合丝具有比金丝更好的机械性能和电学性能，且价格比金丝便宜。这些优势使铜丝可代替金丝用于一些高引出端、细间距的球焊和楔型焊的半导体器件中。本文对单晶铜键合... 详细信息

铜丝引线互连技术的应用已经成为微电子封装业的趋势，研究表明，铜键合丝具有比金丝更好的机械性能和电学性能，且价格比金丝便宜。这些优势使铜丝可代替金丝用于一些高引出端、细间距的球焊和楔型焊的半导体器件中。本文对单晶铜键合丝拉丝过程中坯料、设备、模具、润滑、热处理和环境等方面的问题进行了分析和研究，制定了具体的解决方案。针对普通定向凝固设备无法满足制备单晶铜键合丝坯料的需要，采用了真空熔炼氩气保护热性连铸设备制备了高性能的单晶铜键合丝坯料;就单晶铜键合丝热处理过程中较易氧化的特性，设计了铜键合丝的热处理保护装置，实现了单晶铜键合丝热处理过程中的保护，并制定了单晶铜键合丝制备工艺。通过系统测试单晶铜键合丝的力学性能和电学性能，研究了不同热处理温度和热处理时间下单晶铜键合丝的破断力和延伸率的变化规律，并对单晶铜键合丝的键合性能测试进行了测试。研究结果表明：单晶铜键合丝随着退火时间和退火温度的增加，破断力降低，延伸率增加，电阻率呈下降趋势。对于0.025mm的单晶铜键合丝，在退火温度410℃时，退火时间为2.4s时，单晶铜键合丝具有高的延伸率和好的破断力。单晶铜键合丝线径与退火温度、退火时间之间的存在Y=397.93+24.55X-4.22X、Z=-2.41+5.76X-1.08X函数关系（其中X为线径Mil，Y为退火温度℃，Z为退火时间t）。单晶铜丝在保护气氛下可以键合在铝金属化层上，形成良好的键合点和高的机械强度，焊点腐蚀没发现基板损伤，可以满足工业上对于引线键合机械强度的要求;对于大规格（0.042mm）的单晶铜键合丝其性能较为稳定，CPK值为3.25大于2.0以上，具有良好的工业应用价值。

关键词：单晶铜单晶铜键合丝拉制破断力延伸率键合性能