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微互连焊点Cu-Sn金属间化合物晶粒取向及各向异性研究

作　者: 牛丽娜
导　师: 田艳红
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: Cu6Sn5 晶粒取向单晶铜各向异性 EBSD
分类号: TG401
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

受高性能计算和电子器件小型化的驱动,硅通孔（Through Silicon Vias, TSV）工艺成为3D封装中芯片垂直互连的关键技术。但TSV中焊盘尺寸不断减小,所造成的焊点中金属间化合物（Intermetallic Compound, IMC）比例增加以及焊盘本身所含晶粒数目减少,会对界面IMCs取向产生影响。并且当焊点中IMCs比重增大、晶粒数目有限且具有一定的择优取向时,焊点的力学性能会产生较大的变化。因此,深入研究多、单晶焊盘上IMCs晶粒的取向及性能各向异性具有重要意义。本文对Sn3.0Ag0.5Cu/Cu微小焊点中的IMCs进行了系统研究。首先分别观察分析了多、单晶铜与Sn3.0Ag0.5Cu（SAC）钎料在不同重熔温度、时间、冷却速度和老化条件下界面Cu₆Sn₅的形貌,研究了不同形态Cu₆Sn₅的生长动力学;然后采用电子背散射衍射技术（Electron Backscatter Diffraction, EBSD）结合取向成像电子显微分析系统（Orientation Imaging Microscopy, OIM）分析的方法对Cu₆Sn₅晶粒与焊盘的取向关系进行了全面而系统研究,建立了Cu₆Sn₅形貌与取向的联系,并阐述了钎料基体内部中空结构Cu₆Sn₅的形成机理;最后采用纳米压痕等实验方法研究了Cu₆Sn₅的弹性及塑性各向异性。研究结果表明:焊点界面Cu₆Sn₅形貌与焊盘取向、工艺参数等因素有关,随重熔温度升高,Cu₆Sn₅由扇贝状向棱柱状转变,单晶焊盘上的棱柱状Cu₆Sn₅规则排列;Cu₆Sn₅表面纳米尺度Ag3Sn颗粒的形成机制可用活性物质的吸附理论解释;多晶铜焊盘上的Cu₆Sn₅晶粒和单晶铜在250℃下生成的扇贝状Cu₆Sn₅晶粒具有{0001}面和焊盘成30°～50°夹角的取向关系;SAC/单晶Cu界面在300℃时生成的规则棱柱状Cu₆Sn₅晶粒均具有{0001}晶面垂直于焊盘、{ 2110 }面平行于焊盘平面、<0001>晶向平行于Cu的<110>晶向的取向关系。这种择优取向是由于低的错配度导致的,且取向关系不受老化的影响;建立了Cu₆Sn₅晶粒形貌与取向之间的联系,钎料基体内中空结构Cu₆Sn₅的形成机理可以用晶体生长的布拉维法则进行解释。Cu₆Sn₅弹性模量存在各向异性,密排<0001>晶向的弹性模量最大,各向异性程度可达16.3%;不同取向焊盘上Cu₆Sn₅存在塑性各向异性,（001）单晶铜界面Cu₆Sn₅晶粒的平均Schmid因子各向异性最强烈,多晶铜最弱。

微互连焊点Cu-Sn金属间化合物晶粒取向及各向异性研究

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