基于Al-Ni薄膜自蔓延燃燒反應(yīng)的釬料互連工藝和界面反應(yīng)研究.pdf

1、以薄箔自蔓延反應(yīng)產(chǎn)熱為熱源的釬料互連由于其熱量高度集中、瞬時溫度高、升/降溫速度非?？烨覠嵊绊憛^(qū)小的特點，能解決MEMS器件及高溫電子器件中熱失配、熱敏感材料或器件的封裝連接問題。然而局部加熱和過高的升/降溫速度導(dǎo)致反應(yīng)互連過程高度非穩(wěn)態(tài)，釬料在極短時間（毫秒級）內(nèi)完成熔化、潤濕鋪展及凝固結(jié)晶，這一獨特的熱循環(huán)使得焊點中各種反應(yīng)都不能充分進行，互連組織形貌及其形成機理均不同于傳統(tǒng)封裝互連。為此，基于Al/Ni納米薄箔進行自蔓延燃燒反應(yīng)釬

2、料互連相關(guān)研究，所得結(jié)果對建立非平衡條件下的釬料互連理論及拓展自蔓延反應(yīng)釬料互連在電子封裝中的應(yīng)用有重要的理論和實際意義。本文的主要工作如下：
　　通過建立三維有限元模型對自蔓延焊點中的溫度、應(yīng)力分布進行仿真計算，研究焊點內(nèi)的應(yīng)力集中以及成相結(jié)晶和界面反應(yīng)的熱力學(xué)條件（熱歷程、應(yīng)力歷程等）。結(jié)果表明，燃燒反應(yīng)時自蔓延焊點內(nèi)的瞬時加熱和冷卻速度可達106~7 K/s且焊點內(nèi)存在非常高的溫度梯度，在此條件下，互連材料將經(jīng)歷兩個應(yīng)力峰，

3、且燃燒反應(yīng)波周圍出現(xiàn)三個應(yīng)力集中區(qū)，其瞬時熱應(yīng)力可達數(shù)千兆帕。根據(jù)邊界條件的不同，自蔓延焊點可分為焊點中心的準穩(wěn)態(tài)燃燒反應(yīng)區(qū)以及焊點邊緣和頂角的非穩(wěn)態(tài)燃燒反應(yīng)區(qū)，其瞬時溫度、應(yīng)力場存在明顯差異。
　　基于不同的釬料、基板和工藝參數(shù)開展互連實驗和可靠性測試，對自蔓延燃燒反應(yīng)互連在各類封裝應(yīng)用中的可行性和可靠性進行評估。雖然自蔓延反應(yīng)釬料互連可以完成Cu、Ni、Si基器件之間的冶金連接，但燃燒反應(yīng)后所得焊點內(nèi)會形成五種缺陷，且焊點在外

4、力作用下將發(fā)生脆性斷裂。結(jié)合模擬結(jié)果，研究發(fā)現(xiàn)整個釬料層需要完全熔化并維持液態(tài)超過0.45 ms才能獲得可靠焊點，而通過使用低密度絕熱基板、輕質(zhì)高導(dǎo)熱釬料或施加適當(dāng)?shù)念A(yù)熱和壓力可有效改善焊點形成時的熱動力學(xué)條件，促進液態(tài)釬料的流動和填充、抑制缺陷的形成，進而提高焊點的互連質(zhì)量，在提高焊點強度的同時降低孔隙率。
　　采用TEM進行微觀組織表征，結(jié)合模擬所得熱動力學(xué)條件，重點研究高度非平衡條件下釬料的熔化、遷移、凝固結(jié)晶過程以及界面反

5、應(yīng)過程，探求焊點內(nèi)晶粒、IMC、偏析等微觀組織結(jié)構(gòu)的形成機理，同時通過對自蔓延焊點進行加速老化，探索服役過程中自蔓延焊點內(nèi)各組織成分和結(jié)構(gòu)的演變過程及其對焊點可靠性的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，燃燒反應(yīng)時 Al/Ni薄箔發(fā)生包晶反應(yīng)釋放大量熱量并形成納米級的 NiAl等軸晶，在此過程中，液態(tài)釬料通過固-液-對流擴散與薄箔和基板發(fā)生非平衡界面反應(yīng)，形成具有漸變成分的界面擴散層和亞穩(wěn)態(tài) IMC，釬料層在焊點內(nèi)溫度梯度的作用下快速定向凝固形成定向排布