【摘要】：近年來(lái),隨著電子元器件的高密度化、微型化和多功能化,以及寬帶隙半導(dǎo)體高溫器件的發(fā)展,微電子封裝系統(tǒng)的可靠性面臨著更大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的錫基無(wú)鉛焊料合金因金屬間化合物過(guò)度生長(zhǎng)、較低的抗電遷移性能和自身熔點(diǎn)較低等問(wèn)題,已不適用于下一代芯片互連封裝材料。納米銅介質(zhì)材料因納米材料的尺寸效應(yīng)得以在遠(yuǎn)低于塊體銅熔點(diǎn)的溫度下實(shí)現(xiàn)燒結(jié)連接,同時(shí)又兼具良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱和抗電遷移性能,從而受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究。然而,納米銅顆粒極易氧化,難以儲(chǔ)存,其作為連接材料需要在較高的燒結(jié)溫度和壓力下才能獲得具有理想互連強(qiáng)度的接頭,這在很大程度上限制了納米銅介質(zhì)材料在微電子封裝領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用和發(fā)展。本文通過(guò)調(diào)整納/微米銅顆粒之間的質(zhì)量配比和優(yōu)化銅基板的粗糙度來(lái)提高在低溫低壓條件下基于燒結(jié)納/微米銅介質(zhì)材料的銅-銅互連接頭連接強(qiáng)度,同時(shí)通過(guò)磷化處理來(lái)提高納米銅顆粒及其連接接頭的高溫和長(zhǎng)期抗氧化性能,最后通過(guò)建立模型、計(jì)算公式和分析斷面微觀結(jié)構(gòu)來(lái)研究這三種方式對(duì)接頭剪切強(qiáng)度的強(qiáng)化機(jī)理。主要得出以下結(jié)論:(1)在燒結(jié)過(guò)程中,納米銅顆�？梢蕴畛湓谖⒚足~顆粒之間的空隙中,且傾向于包圍微米銅顆粒,形成包圍結(jié)構(gòu),從而提高銅顆粒燒結(jié)連接層的結(jié)構(gòu)致密度。在燒結(jié)溫度為250°C、壓力為4MPa條件下,當(dāng)納/微米銅顆粒之間的質(zhì)量配比為9/1時(shí),接頭連接層的燒結(jié)結(jié)構(gòu)致密度最大,接頭連接強(qiáng)度最高,約為20.5MPa。相比于納米銅焊膏,納/微米銅混合焊膏具有更好的抗氧化性能、更高的連接強(qiáng)度和更低的成本。(2)銅基板粗糙表面上的凹槽可以和銅顆粒燒結(jié)連接層之間形成鋸齒結(jié)構(gòu),增加銅顆粒和銅基板之間的接觸面積,促進(jìn)它們之間的機(jī)械咬合作用。當(dāng)銅基板的粗糙度為Ra=189.9±5.4nm時(shí),其表面與銅顆粒之間的接觸面積最大,接頭的剪切強(qiáng)度也最高。此外,連接基板的最佳粗糙度值會(huì)因其材質(zhì)和銅顆粒尺寸的變化而變化。(3)納米銅顆粒的最佳磷化處理時(shí)間為30min。經(jīng)過(guò)磷化處理后,納米銅顆粒的高溫抗氧化溫度高達(dá)300°C,并且可以在常溫空氣中保存數(shù)月而不被氧化。納米銅顆粒的粒徑也因表面磷化反應(yīng)物的生成而由原始的50nm增加到了200nm。在高溫?zé)Y(jié)(250°C以上)以及后續(xù)的老化和儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)中,磷化納米銅顆粒因具有良好的抗氧化性能,其連接的接頭剪切強(qiáng)度都高于未處理納米銅顆粒所連接的接頭剪切強(qiáng)度。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN405;TB383.1
【圖文】：

圖 1.1 微電子封裝不同層級(jí)示意圖。Fig. 1.1 Packaging Hierarchy.片級(jí)封裝互連技術(shù)匯總線鍵合集成電路封裝中，芯片之間以及芯片和基板之間的互連在芯片與外和信號(hào)輸送中起著重要作用，是封裝中最關(guān)鍵的步驟之一。實(shí)現(xiàn)內(nèi)主要有三種：引線鍵合、倒裝焊和載帶自動(dòng)焊，而引線鍵合以工藝廉和適用性廣等優(yōu)點(diǎn)成為微電子封裝領(lǐng)域中的主要封裝形式。雖然幅改善封裝性能，但由于相對(duì)較高的成本使其主要應(yīng)用于一些高端場(chǎng)上一般的產(chǎn)品性能要求，引線鍵合基本能夠滿足[10]。線鍵合，是利用細(xì)金屬線連接芯片和基板引腳從而實(shí)現(xiàn)它們之間的圖 1.2 所示。在引線鍵合前，先用熱壓法或者超聲波將半導(dǎo)體元件焊上，并在引線框架表面鍍上一層導(dǎo)電金屬。然后用金屬線將半導(dǎo)體架鍵合起來(lái)，最后用保護(hù)性樹(shù)脂來(lái)封裝鍵合后的集成電路[11]。引線

圖 1.2 引線鍵合示意圖。Fig. 1.2 Wire Bonding.圖 1.3 球形鍵合焊接形式[12]。 圖 1.4 楔形鍵合焊接形式[12]。Fig. 1.3 Ball Bonding. Fig. 1.4 Wedge Bonding.引線鍵合作為半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)后道工序中的關(guān)鍵，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一仍然是封裝內(nèi)部連接的主流方式。銅互連材料、低介電常數(shù)材料、有機(jī)

3圖 1.3 球形鍵合焊接形式[12]。 圖 1.4 楔形鍵合焊接形式[12]。Fig. 1.3 Ball Bonding. Fig. 1.4 Wedge Bonding.引線鍵合作為半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)后道工序中的關(guān)鍵，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍然是封裝內(nèi)部連接的主流方式。銅互連材料、低介電常數(shù)材料、有機(jī)基底材料、多芯片模塊和層疊芯片等半導(dǎo)體發(fā)展的新趨向正不斷對(duì)引線鍵合技術(shù)提出新的要求。而引線鍵合金屬絲及其相關(guān)鍵合設(shè)備的持續(xù)改進(jìn)[13]，使得引線鍵合這種方法更適用于電子元器件的封裝工藝。同時(shí)在高密度封裝快速發(fā)展趨勢(shì)的推動(dòng)下，引線鍵合演化速度不斷加快，不斷發(fā)展的引線鍵合技術(shù)使其能夠繼續(xù)滿足目前乃至未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)封裝工藝的苛刻要求。1.2.2 軟釬焊連接技術(shù)隨著現(xiàn)代微電子封裝技術(shù)的出現(xiàn)，軟釬料合金逐漸成為了應(yīng)用最普遍的電子互連材料。軟釬料主要為兩相或三相合金系統(tǒng)，通過(guò)在焊接過(guò)程中與基底材料接

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

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本文編號(hào)：2781596