文档介绍：工学硕士学位论文
无铅焊点低温超声互连的
机理及可靠性研究
李卓霖
哈尔滨工业大学
2009 年 6 月
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国内图书分类号:TG454
国际图书分类号:
工学硕士学位论文
无铅焊点低温超声互连的
机理及可靠性研究
硕士研究生: 李卓霖
导师:李明雨教授
申请学位: 工学硕士
学科、专业: 材料加工工程
所在单位:深圳研究生院
答辩日期:2009 年 6 月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
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Classified Index: TG454
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Dissertation for the Master Degree of Engineering
MECHANISM AND RELIABILITY OF
LEAD FREE JOINTS FABRICATED BY
LOW TEMPERATURE ULTRASONIC
BONDING
Candidate: Li Zhuolin
Supervisor: Prof. Li Mingyu
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Specialty: Material Processing Engineering
Affiliation: Shenzhen Graduate School
Date of Defence: June, 2009
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
以钎料凸点作为导电端的倒装芯片技术,由于其能有效增加封装密
度,被广泛的应用于高 I/O 端口数集成芯片与基板间的细小间隙互连,
并已被证明是一种高强度高可靠性的封装工艺。但对于传统的钎料凸点
倒装工艺如热风、红外或热板回流焊来说,为熔化钎料凸点而施加的高
温很可能同时造成芯片内精密电路的热损伤,这已被视为微电子产业面
临的一项技术挑战。
然而,对于超声连接来说,整个连接过程中器件一直处于室温环境
下,仅靠压力和超声振动实现连接,因此可以避免高温带来的热损伤,
同时连接时间大幅缩短并可有效控制金属间化合物(IMCs)在连接界面的
过度生长,改善焊点的可靠性。此外,由于焊盘表面的氧化层及污染物
可以在超声振动的作用下被去除,超声倒装还是一种免钎剂的互连工艺。
本文研究了 无铅焊点低温超声互连的机理与可靠性,内容
主要包括以下几个方面:
(1) 无铅焊点低温超声互连时的局部熔化现象:测试在超声连接过程
中连接界面及钎料体内部的温升情况,并在偏振光显微镜下观察了焊点
内部局部熔化区与非熔化区的微观组织的差别,结合温度和组织两方面
的信息证明了超声连接时钎料凸点在界面处发生了局部熔化。
(2) 无铅焊点低温超声互连时的连接界面的冶金反应:利用电子显微
镜(SEM)研究了钎料与 Cu 基板间生成的 IMCs 的尺寸,形貌及分布,利
用微区 XRD(Micro-XRD)分析了 IMCs 的成分,确定超声连接是发生了
非平衡的冶金反应生成了 和 Ag4Sn 两种金属间化合物。此外,
还发现 的形貌在不同的焊接时间下会发生演变,结合冶金动力
学对这种形貌的演变做出了解释
(3) 无铅焊点低温超声互连的可靠性:主要是通过对不同焊接时间下
获得的焊点的抗剪切性能测试,研究了其断裂时所受最大剪切力随时间
参数的变化规律,观察断口形貌,总结焊点失效的机制,研究了不同的
IMCs 形貌及尺寸对超声焊点可靠性的影响规律及作用机制。
关键词无铅焊点;低温超声互连;局部熔化;连接机理;可靠性
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
The solder bump flip chip technology, as an ultimate way to increasing
packaging density, is widely used for fine-pitch connection between
high-I/ponents and substrates. It has proven to be a high-yield and
reli