面向微焊点互连的纳米颗粒微图形制备及键合性能研究

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随着封装技术的快速发展,互连焊点的尺寸已由数百微米减小到数十微米,继续采用锡基合金进行互连将会出现很多问题。纳米颗粒具有烧结温度低、烧结后电性能优异的特点,有望替代锡基合金作为焊料实现焊点的互连。目前已有大量关于纳米颗粒合成方法的研究,但将其按需涂覆到键合界面比较困难,尤其是当焊点尺寸小于10μm时。无法将纳米颗粒涂覆在键合界面将会阻碍其在键合技术上的应用。本文主要研究将纳米颗粒按需涂覆到焊盘上的图形化方法,具体研究内容为:(1)研究了纳米颗粒的图形化方法,提出了在不同情况下用于涂覆纳米颗粒的方法。对液桥转印和选择性润湿的原理和工艺进行了研究,并成功制备了直径为35μm的银纳米颗粒图形,厚度分别为650 nm、80 nm。并结合二者的优点提出了选择性润湿-浅槽辅助的方法,涂覆的银纳米颗粒层厚度可达1.1μm。(2)研究了影响涂覆工艺的因素,有助于指导墨水的配置和焊盘的设计。在沉积过FOTS的硅片表面墨水的后退接触角明显增大,有利于涂覆。焊盘中心距与直径之比会影响涂覆良率,当焊盘直径大于10μm,焊盘中心距与直径之比可小至3/2。随着焊盘尺寸的减小,单次涂覆后焊盘表面留下的墨水量减少,可通过多次涂覆提高焊盘上银纳米颗粒层的厚度和覆盖率。(3)利用银纳米颗粒作为焊料进行了键合测试,验证了采用选择性润湿的方法涂覆纳米颗粒的可行性,并找到了可实现良好键合的工艺参数。安美特电镀液电镀的铜柱顶部平整,高度公差小,适合用于焊料较薄情况下的铜柱-焊盘键合。键合强度随键合温度和时间的增加而显著增强,而要实现良好的键合,键合温度应大于225℃,键合压强应大于20 MPa。在250℃,20 MPa的压强下烧结5 min即可获得22.92 MPa的剪切强度。在电性能测试中128个焊点串联的平均阻值为63.88Ω。本文对纳米颗粒的图形化方法和键合工艺进行了一系列的研究,有助于进一步推动纳米颗粒在互连技术中的应用。
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