【摘要】：近年來,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)的錫基無鉛焊料合金因金屬間化合物過度生長、較低的抗電遷移性能和自身熔點較低等問題,已不適用于下一代芯片互連封裝材料。納米銅介質材料因納米材料的尺寸效應得以在遠低于塊體銅熔點的溫度下實現(xiàn)燒結連接,同時又兼具良好的導電導熱和抗電遷移性能,從而受到國內外學者的廣泛關注和研究。然而,納米銅顆粒極易氧化,難以儲存,其作為連接材料需要在較高的燒結溫度和壓力下才能獲得具有理想互連強度的接頭,這在很大程度上限制了納米銅介質材料在微電子封裝領域內的應用和發(fā)展。本文通過調整納/微米銅顆粒之間的質量配比和優(yōu)化銅基板的粗糙度來提高在低溫低壓條件下基于燒結納/微米銅介質材料的銅-銅互連接頭連接強度,同時通過磷化處理來提高納米銅顆粒及其連接接頭的高溫和長期抗氧化性能,最后通過建立模型、計算公式和分析斷面微觀結構來研究這三種方式對接頭剪切強度的強化機理。主要得出以下結論:(1)在燒結過程中,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,形成包圍結構,從而提高銅顆粒燒結連接層的結構致密度。在燒結溫度為250°C、壓力為4MPa條件下,當納/微米銅顆粒之間的質量配比為9/1時,接頭連接層的燒結結構致密度最大,接頭連接強度最高,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連接層之間形成鋸齒結構,增加銅顆粒和銅基板之間的接觸面積,促進它們之間的機械咬合作用。當銅基板的粗糙度為Ra=189.9±5.4nm時,其表面與銅顆粒之間的接觸面積最大,接頭的剪切強度也最高。此外,連接基板的最佳粗糙度值會因其材質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間為30min。經(jīng)過磷化處理后,納米銅顆粒的高溫抗氧化溫度高達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物的生成而由原始的50nm增加到了200nm。在高溫燒結(250°C以上)以及后續(xù)的老化和儲存實驗中,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度都高于未處理納米銅顆粒所連接的接頭剪切強度。
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN405;TB383.1
【圖文】：

圖 1.1 微電子封裝不同層級示意圖。Fig. 1.1 Packaging Hierarchy.片級封裝互連技術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輸送中起著重要作用，是封裝中最關鍵的步驟之一。實現(xiàn)內主要有三種：引線鍵合、倒裝焊和載帶自動焊，而引線鍵合以工藝廉和適用性廣等優(yōu)點成為微電子封裝領域中的主要封裝形式。雖然幅改善封裝性能，但由于相對較高的成本使其主要應用于一些高端場上一般的產品性能要求，引線鍵合基本能夠滿足[10]。線鍵合，是利用細金屬線連接芯片和基板引腳從而實現(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體元件焊上，并在引線框架表面鍍上一層導電金屬。然后用金屬線將半導體架鍵合起來，最后用保護性樹脂來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.引線鍵合作為半導體集成電路生產后道工序中的關鍵，在未來相當長一仍然是封裝內部連接的主流方式。銅互連材料、低介電常數(shù)材料、有機

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.引線鍵合作為半導體集成電路生產后道工序中的關鍵，在未來相當長一段時間內仍然是封裝內部連接的主流方式。銅互連材料、低介電常數(shù)材料、有機基底材料、多芯片模塊和層疊芯片等半導體發(fā)展的新趨向正不斷對引線鍵合技術提出新的要求。而引線鍵合金屬絲及其相關鍵合設備的持續(xù)改進[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。同時在高密度封裝快速發(fā)展趨勢的推動下，引線鍵合演化速度不斷加快，不斷發(fā)展的引線鍵合技術使其能夠繼續(xù)滿足目前乃至未來一段時間內封裝工藝的苛刻要求。1.2.2 軟釬焊連接技術隨著現(xiàn)代微電子封裝技術的出現(xiàn)，軟釬料合金逐漸成為了應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)，通過在焊接過程中與基底材料接

【參考文獻】

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本文編號：2781596