超聲楔形鍵合界面連接物理機理研究.pdf

1、微電子、光電子系統(tǒng)中芯片級封裝超聲互連接頭界面接合機制問題嚴重困擾著超聲鍵合設備和技術(shù)的創(chuàng)新方向，也直接影響著元器件性能和可靠性。因此，解析超聲鍵合接頭界面特征并厘清超聲對接合過程所起到的本質(zhì)作用對于指導封裝互連設備升級、提高超聲鍵合技術(shù)能力和改善元器件功能及壽命都具有重大意義。
　　本文針對常溫超聲楔形鍵合25μm Al-1wt.％Si引線與薄 Au層Au/Ni/Cu、厚 Au層 Au/Ni/Cu、Cu三種焊盤之間形成的接頭，原

2、位測量了接頭電阻；揭示了接頭接合部連接物理過程和特征；考察了 Au/Al和Al/Au系統(tǒng)高溫老化時接頭界面演變特點；運用聚焦離子束-透射電子顯微鏡(FIB-TEM)方法，在納觀尺度上給出了接頭界面構(gòu)成情況，在原子尺度上觀察了界面接合特征；基于固相擴散反應原理，全面闡釋了超聲楔形鍵合接頭界面彌散有納米Au8Al3顆粒的固溶體形成過程中超聲振動作用的物理實質(zhì)。
　　設計了原位電阻測試電路，分別考察對比了三種焊盤所形成接頭的電阻變化率。

3、隨著鍵合參數(shù)增大，接頭電阻呈先減小后增大的趨勢，最大變化率超過+10%，并且具有周期性波動特點。接頭界面有效連接面積和接頭上引線橫截面變形量的變化分別是造成接頭電阻波動性和整體增大趨勢的原因。接頭電阻與接頭拉力測試結(jié)果具有很好的互補性，是一個擁有實際物理意義的無損評價接頭連接質(zhì)量的新指標。接頭電阻性能的波動性變化特點在一定程度上揭示了超聲楔形鍵合接合過程的周期性特征。
　　機械剝離法和化學腐蝕法去除引線后，利用 SEM觀察焊盤上接

4、合部印痕，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，表面較硬的薄 Au層 Au/Ni/Cu焊盤上方向性接合痕特征非常明顯，縱向(沿超聲振動方向)和在其上的橫向(垂直于超聲振動方向)接合痕分布具有空間立體特征和周期性規(guī)律，它們分別是超聲振動和引線徑向塑性流動的作用結(jié)果；相對較軟的其它兩種焊盤上接合痕方向性特征不明顯。
　　利用高溫老化試驗方法，對比了Au/Al和Al/Au兩系統(tǒng)楔形接頭界面演化過程，反演了超聲楔形鍵合接頭接合過程開始于接合部周邊，尤其是跟部和趾部的

5、特點。
　　采用 FIB制備了 TEM試樣，高分辨透射電子顯微鏡下觀察分析了超聲楔形鍵合接頭界面的接合特征。納觀尺度上的TEM明場像和暗場像表明接頭界面存在擴散分層現(xiàn)象；EDS線分析證明 Al、Au兩元素之間發(fā)生了互擴散，距離不超過100nm；CBED衍射花樣標定結(jié)果顯示擴散反應層內(nèi)生成了Au8Al3中間相；原子尺度上的高分辨像揭示了該中間相的晶粒尺度僅有幾個納米，并且離散地分布于擴散反應層內(nèi)，同時，Al元素向Au層內(nèi)的擴散具有垂

6、直于界面方向上的階梯式波浪形的W型擴散和平行于界面方向上的明暗相間干涉花樣式的F型擴散的特征。近界面引線和反應層內(nèi)存在大量孿晶。超聲功率能夠明顯促進界面擴散反應，但是也會造成反應生成層與Au層之間界面的剝離效應。
　　給出了超聲楔形鍵合接合過程和界面特征的模型。根據(jù)擴散反應原理，分別分析了熱、摩擦、塑性變形和超聲(聲量子和振動)對接頭形成所發(fā)揮的作用。綜合理論分析和試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超聲振動效應(振動去膜、摩擦生熱、增強塑性、快速剪切