应用于高温功率芯片封装的过渡液相连接界面反应机理研究

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1、硕士学位论文应用于高温功率芯片封装的过渡液相连接界面反应机理研究STUDYONTHEINTERFACIALREACTIONOFTRANSIENTLIQUIDPHASEBONDINGFORTHEAPPLICATIONSOFHIGH-TEMPERATUREPOWERDEVICEPACKING田皓哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TG453.9学校代码：10213国际图书分类号：621.791.1密级：公开工学硕士学位论文应用于高温功率芯片封装的过渡液相连接界面反应机理研究硕士研究生：田皓导师：赵洪运教授申请学位：工

2、学硕士学科：船舶与海洋工程所在单位：船舶与海洋工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学工学硕士学位论文ClassifiedIndex:TG453.9U.D.C:621.791.1DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSTUDYONTHEINTERFACIALREACTIONOFTRANSIENTLIQUIDPHASEBONDINGFORTHEAPPLICATIONSOFHIGH-TEMPERATUREPOWERDEVICEPACKINGCa

3、ndidate:TianHaoSupervisor:Prof.ZhaoHongyunAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringNavalArchitectureandOceanSpeciality:EngineeringSchoolofNavalArchitectureandAffiliation:OceanEngineeringDateofDefence:June,2018Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTech

4、nology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要近年来，晶圆键合技术因能够制造绝缘体硅衬底，并能应用于3D微器件多层封装，而被视作微电子机械系统制造(Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS)中一种重要的连接方式。在众多互连方法中，瞬态液相扩散连接技术(Transient-Liquid-Phase,TLP)能够在较低的烧结温度下形成高熔点金属间化合物(IntermetallicCompounds，IMC)接头而被广泛应用于MEMS器件的封装互连。在集成电路封装领域，互连接头通常是由两种不同的

5、金属基板或金属化层组成，其中非对称的Ni/Sn/Cu体系已被广泛地应用在当前倒装芯片组装结构中。本文研究了钎焊温度对Ni/Sn/Cu体系TLP连接过程中界面冶金反应的影响，表征了接头晶粒形貌演变规律，揭示了钎焊温度及Ni浓度对IMC晶粒形貌演变的影响机制，初步评价了晶粒形貌对接头力学性能的影响规律；在Ni/Sn/Cu互连基础上，研究了Ni颗粒添加对Cu-Sn接头TLP连接过程中IMC晶粒形核机制的影响，从理论与实验上诠释了Ni颗粒添加量和钎焊温度对IMC晶粒细化的影响规律。论文主要研究结果总结如下：采用TLP技术完成Ni

6、/Sn/Cu互连，分别在260oC，300oC和340oC钎焊温度下获得全IMC接头。由于Cu/Ni交互作用的存在，Ni元素在接头中建立起一定的浓度梯度，通过热力学计算可知，(Cu,Ni)6Sn5晶粒形貌变化与接头中Ni元素浓度分布有关，并受钎焊温度影响；不同钎焊温度获得的接头剪切强度依次为49.8MPa、50.3MPa、42.7MPa，260oC接头中细颗粒状晶粒区杨氏模量及压痕硬度值最高，分别为：157.44GPa/7.98GPa。采用TLP技术在260oC完成不同Ni颗粒含量的Cu/Sn-xwt%Ni/Cu互连，然

7、后分别在260oC，300oC和340oC钎焊温度下完成Cu/Sn-4wt%Ni/Cu互连并获得全IMC接头。Ni颗粒的添加促使(Cu,Ni)6Sn5相在整个液相钎料中弥散生长，增加了反应界面面积的同时极大提高了初始晶粒的成核数量，并有效地阻止了晶粒合并，在Cu-Sn接头中建立了一种有效地细化IMC晶粒的方法。随着Ni含量提高，(Cu,Ni)6Sn5晶粒细化程度提高，Cu3Sn层生长抑制作用越强烈，当Ni含量达到6wt%时，两侧Cu3Sn层几乎完全消失，形成了致密的完全由(Cu,Ni)6Sn5相组成的接头，其中(Cu,N

8、i)6Sn5晶粒平均尺寸为1.3μm；然而，随着钎焊温度升高，Ni颗粒添加引起的晶粒细化程度开始减弱，当钎焊温度为340oC时，接头中(Cu,Ni)6Sn5晶粒平均尺寸为3.7μm，Cu3Sn层平均厚度为2.5μm。剪切实验表明接头断裂位置均发生在(Cu,Ni)6Sn5晶粒区，Ni含量为6wt%时，剪切强度、杨氏模量