纳米复合Sn帽铜柱面阵列凸点的制备及其互连性能研究

发布时间：2017-05-18 20:14

  本文关键词：纳米复合Sn帽铜柱面阵列凸点的制备及其互连性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着电子封装技术的快速发展,电子产品逐渐向微型化、高集成度化和多功能化方向发展,面阵列铜柱凸点倒装互连封装技术,因具有良好的导热、导电、以及可提供更多的I/O端口数量而受到了广泛关注。目前,铜柱凸点直接互连尚存在工艺实现上的困难,因此,工程应用上常采用锡基焊料实现铜柱凸点与焊盘的互连,但是,这种互连方式因界面存在Cu-Sn原子间的互扩散现象,使得互连接头易产生严重的可靠性问题,特别是电子产品尺寸日益减小的趋势下,导致Cu-Sn互扩散问题变得更加突出。因而,如何抑制界面Cu-Sn互扩散和界面IMC生长问题成为提高面阵列铜柱凸点倒装互连可靠性的关键技术问题。针对这一问题,论文采用纳米α-Fe_2O_3粒子添加制备纳米复合Sn帽铜柱面阵列凸点,研究-65-150oC高低温循环和150oC热老化条件下,纳米α-Fe_2O_3粒子对界面Cu-Sn互扩散、界面IMC生长以及互连接头剪切强度影响规律和影响机制。研究结果表明,在高低温循环条件下,随着α-Fe_2O_3纳米颗粒添加浓度的增加,复合焊料/铜柱界面金属间化合物层的形貌逐渐由笋丁状变得平缓,且其界面Cu6Sn5化合物的晶粒大小逐渐减小。添加适当浓度的纳米颗粒可以明显抑制界面IMC的生长,降低界面IMC层的厚度以及Cu3Sn层的生长速率。同时,不同纳米添加浓度的复合Sn帽铜柱凸点经高低温循环后,其接头剪切强度均随着循环次数的增加呈现先增加后减小的趋势。当循环次数较低时,添加浓度为0.024g/L的纳米复合Sn帽铜柱凸点互连接头剪切强度最大;当循环次数超过100次时,添加浓度为0.032g/L的纳米复合铜柱凸点互连接头剪切强度最大。对比分析表明,添加0.024g/L的α-Fe_2O_3纳米复合Sn帽铜柱凸点互连接头剪切强度随高低温循环次数变化的改变量较小,表明其更能适应温度的变化。通过吸附理论和第二相颗粒增强理论分别分析α-Fe_2O_3纳米颗粒添加浓度对界面IMC生长和互连接头剪切强度的影响机制。在高温热老化条件下,不同添加浓度的α-Fe_2O_3纳米复合Sn帽铜柱凸点界面IMC层的厚度均随着热老化时间的延长而呈现一直增加的趋势。在相同的热老化时间下,随着α-Fe_2O_3纳米颗粒添加浓度的增加,复合Sn帽铜柱凸点界面IMC的厚度及对应的生长速率常数均先减小后增加,互连接头剪切强度则先增加后减小。当纳米颗粒的添加浓度为0.024 g/L时,纳米复合Sn帽铜柱凸点界面IMC层的生长速率常数最小,互连接头剪切强度最大,具有良好的力学性能稳定性。
【关键词】：α-Fe_2O_3纳米颗粒 纳米复合Sn帽铜柱凸点 高低温循环 热老化 金属间化合物 剪切强度
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN405;TB383.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-23
• 1.1 课题背景及研究意义12-15
• 1.2 铜柱凸点研究现状15-19
• 1.2.1 铜焊接概述15-17
• 1.2.2 铜柱凸点可靠性研究现状17-19
• 1.3 Sn基铅焊料研究现状19-22
• 1.3.1 Sn基无铅焊料概述19
• 1.3.2 焊料合金化研究现状19-20
• 1.3.3 纳米颗粒增强复合焊料研究现状20-21
• 1.3.4 纳米颗粒对复合焊料/铜界面微观组织生长的影响机理21-22
• 1.4 本文主要研究内容22-23
• 第2章 试验设计方案23-34
• 2.1 α-Fe_2O_3纳米颗粒的制备23-24
• 2.1.1 Fe3O4纳米颗粒的制备23
• 2.1.2 Fe_2O_3纳米颗粒的制备23-24
• 2.2 纳米复合Sn镀层的制备24-27
• 2.2.1 碱性电镀镀液的制备24-25
• 2.2.2 纳米复合Sn镀层制备流程25-27
• 2.3 纳米复合Sn帽铜柱凸点的制备27-29
• 2.4 纳米复合Sn帽铜柱凸点的互连性能测试29-31
• 2.4.1 高低温循环性能测试29-30
• 2.4.2 热老化性能测试30-31
• 2.5 纳米复合Sn帽铜柱凸点的接头强度测试31-32
• 2.6 试样的观察及分析测试方法32-34
• 2.6.1 纳米复合Sn帽铜柱凸点界面IMC的金相样品的制备32
• 2.6.2 纳米复合Sn帽铜柱凸点表面IMC的金相样品的制备32
• 2.6.3 金相样品的观察手段和分析方法32-33
• 2.6.4 界面IMC尺寸计算方法33-34
• 第3章 纳米复合Sn帽铜柱凸点的表征34-39
• 3.1 Fe_2O_3纳米颗粒的形貌观察与物相分析34-35
• 3.2 纳米复合Sn帽铜柱凸点的形貌观察和物相分析35-38
• 3.3 本章小结38-39
• 第4章 纳米复合Sn帽铜柱凸点的高低温循环性能研究39-64
• 4.1 不同循环次数下纳米复合Sn帽铜柱凸点的微观组织演变39-54
• 4.1.1 界面IMC的形貌与成分分析39-41
• 4.1.2 α-Fe_2O_3纳米颗粒添加浓度对界面IMC生长速率的影响规律41-49
• 4.1.3 表面IMC的形貌与成分分析49-51
• 4.1.4 α-Fe_2O_3纳米颗粒添加浓度对表面IMC演变的影响规律51-53
• 4.1.5 α-Fe_2O_3纳米颗粒添加浓度对微观组织演变的作用机理53-54
• 4.2 不同循环次数下纳米复合Sn帽铜柱凸点的接头剪切强度研究54-61
• 4.2.1 α-Fe_2O_3纳米颗粒对接头剪切强度的影响规律54-58
• 4.2.2 α-Fe_2O_3纳米颗粒对剪切断口的影响规律58-61
• 4.3 α-Fe_2O_3纳米颗粒添加浓度对晶粒细化的作用机理61-62
• 4.4 本章小结62-64
• 第5章 纳米复合Sn帽铜柱凸点的热老化性能研究64-79
• 5.1 不同循环次数下纳米复合Sn帽铜柱凸点的微观组织演变64-73
• 5.1.1 α-Fe_2O_3纳米颗粒添加浓度对界面IMC演变的影响规律64-72
• 5.1.2 α-Fe_2O_3纳米颗粒添加浓度对表面IMC演变的影响规律72-73
• 5.2 不同循环次数下纳米复合Sn帽铜柱凸点的接头剪切强度研究73-77
• 5.2.1 α-Fe_2O_3纳米颗粒对接头剪切强度的影响规律73-76
• 5.2.2 α-Fe_2O_3纳米颗粒对剪切断口的影响规律76-77
• 5.3 本章小结77-79
• 结论79-81
• 参考文献81-87
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单87-88
• 致谢88

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本文编号：377061