【摘 要】
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随着三维芯片封装高集成化发展,封装体中微互连点的密度快速增加。这要求互连点的尺度大幅度降低,致使界面金属间化合物（Intermetallic Compound,IMC）占比不断增加,由此出现热疲劳、电迁移及重熔坍塌等难题。本论文提出了基于（热端）纳米Ni/Sn/（冷端）微米Ni结构的温度梯度瞬时液相（Temperature Gradient Transient Liquid Phase,TG-TL
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随着三维芯片封装高集成化发展,封装体中微互连点的密度快速增加。这要求互连点的尺度大幅度降低,致使界面金属间化合物（Intermetallic Compound,IMC）占比不断增加,由此出现热疲劳、电迁移及重熔坍塌等难题。本论文提出了基于（热端）纳米Ni/Sn/（冷端）微米Ni结构的温度梯度瞬时液相（Temperature Gradient Transient Liquid Phase,TG-TLP）键合法,快速制备力学可靠的IMC微互连点。研究了跨晶粒尺度Ni镀层界面IMC生长和形貌演变,分析了晶粒尺度对其影响,提出了纳米Ni/Sn/微米Ni键合结构;研究了TG-TLP条件下微互连点界面IMC生长及形貌演变,讨论了界面IMC的生长动力学机制,并表征了微互连点的力学性能。研究结果如下:（1）通过直流电镀法,制备出纳米Ni和微米Ni跨晶粒尺度的Ni镀层,晶粒直径约为21nm和1.2μm。在固液反应中纳米Ni/Sn界面Ni3Sn4具有较快的生长速率,而微米Ni/Sn界面Ni3Sn4生长速率较慢,这主要与纳米Ni镀层提供更多形核位置有关;在固液反应中纳米Ni/Sn界面Ni3Sn4形貌由初始的细棒状逐渐向细棒状和块状混合形貌演变,微米Ni/Sn界面Ni3Sn4形貌由初始的小块状向粗大的块状演变。微米Ni界面Ni3Sn4的块状形貌和纳米Ni界面Ni3Sn4的快速生长分别有利于IMC微互连点的力学可靠和快速形成。（2）根据跨晶粒尺度Ni镀层界面Ni3Sn4生长及形貌特征,提出了基于（热端）纳米Ni/Sn/（冷端）微米Ni结构的TG-TLP键合法,在13min内快速制备出无缺陷的Ni3Sn4微互连点。在反应过程中微互连点冷、热两端界面Ni3Sn4呈非均匀化生长,冷端微米Ni界面Ni3Sn4生长速率较快,形貌为块状;热端纳米Ni界面Ni3Sn4几乎无生长,形貌为细棒状;随着时间到达13min,冷端界面粗大块状Ni3Sn4贯穿整个钎料,快速形成了无缺陷的Ni3Sn4微互连点。温度梯度驱动Ni原子扩散和纳米Ni界面大量的细棒状Ni3Sn4晶粒是IMC微互连点快速形成的主要原因。（3）在TLP反应中微互连点纳米Ni界面细棒状Ni3Sn4生长速率显著快于微米Ni界面块状Ni3Sn4。在反应15min后形成了Ni3Sn4微互连点,该微互连点存在着明显的孔洞缺陷,这与纳米Ni界面细棒状和块状Ni3Sn4主导了IMC互连点形成有关。TG-TLP条件下形成的Ni3Sn4微互连点剪切强度为69.3Mpa,表现出良好的力学可靠性。
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