采用瞬态熔融Ga和Ni UBM制备了高强度、热稳定的Cu-Cu接头
Shih-kangLinabMei-junWangaChe-yuYehaHao-miaoChangaYu-chenLiua
亮点
1、提出了一种新型的Ga基瞬态液相Cu-Cu键合。
2、制造不含金属间化合物的Cu-Cu接头。
3、形成Cu /（Ni，Cu，Ga）/ Cu 面心立方固溶体相。
4、实现了强的Cu-Cu接合，剪切强度达到43.5MPa。
5、稳定的Cu-Cu接头在300℃下退火200小时仍保持48MPa的剪切强度。
摘要
Cu-Cu接头的焊接是大多数先进电子器件生产中的重要工序，如倒装芯片封装中的Cu柱连接、三维集成电路中的硅通孔互连、宽频带电子器件中的模具附件。这里我们提出一个制作没有金属间化合物的fcc固溶体接头的方法——通过使用微量镓(Ga)和镍(Ni)凸块下金属(UBM)在300°C下反应扩散连接。固溶体接头的形成涉及到在键合界面上Ni-Cu-Ga混合物的相互作用。由于在键合界面上形成晶粒，接头剪切强度达到43.5 MPa，同时在300°C退火200 h强度也不会降低。相反得到了一个剪切强度为48.2 MPa的更强的接头。我们证明了使用瞬态熔融Ga和Ni UBM技术能够制造强的、热稳定的Cu-Cu接头。
图解摘要
关键词
Cu-Cu键合、三维集成电路、 宽带隙芯片焊接、 Ga、 热稳定性、 剪切强度、TLP键合
- 介绍
Cu- Cu键合，即两个Cu基板的连接，是几乎所有先进的电子器件中的关键工艺，包括三维集成电路(3D ICs)中的硅通孔(TSV)互连和宽带隙(WBG)器件中的模具附件。传统上，无论是使用Pb-Sn或无Pb焊料焊接，是一种经济可行的、成熟的工艺用在成熟的电子封装技术中的Cu与Cu之间的互连，如球栅阵列(BGA)和倒装芯片封装中。一个焊接过程包括焊料的熔化、焊料与基体之间的润湿、界面金属间化合物(IMC)的形成和凝固。虽然IMCs的形成通常伴随着良好的润湿性，但IMCs具有脆性和抗电性。因此，IMC的过度形成会导致接头的恶化。然而，传统的焊接工艺不能满足先进的Cu对Cu互连的要求，主要是由于这两种趋势：(1)微型、细间距接头；(2)严格的热管理和稳定性要求。例如，当2.5D或3 D IC方案应用在超级计算和物联网时，TSV 中Cu-to-Cu接头或微凸块通常只有10 - 20mu;m。在回流过程中，微凸点处的焊料可能在与基底反应时被消耗，从而导致完全的IMC接头。另一方面，对于在(局部)高温下运行的设备的应用，如3D IC互连、嵌入式设备、用于汽车电源模块的WBG芯片附件，即使使用高温无铅焊料，如昂贵的金基合金，可靠性仍然不确定。无论是微型接头，还是新的应用中操作时的高温，都会导致在接头处大量形成IMC，这是传统焊接工艺的一个无法避免的致命缺陷。
为了解决这一问题，人们提出了许多方法，如热压键合、纳米/亚微米浆料的烧结键合、反应性多层键合和瞬态液相键合。热压键合是一种直观的方法，它涉及在高温下的保护性或还原性气氛下直接连接两个具有高外应力的Cu基板。然而，非常平坦，活跃的Cu基体表面，这要求包括复杂的预处理Cu垫，以及相对严格的加工条件和气氛。尽管近年来发展了一种新型的制备纳米双Cu基板的电镀工艺，但接头的综合强度并不合适。因此，热压焊接被认为是一个昂贵和耗时的过程。烧结键合是在高温高压条件下，浆料中的纳米或亚微米金属颗粒的烧结过程。尽管已经研究了这种浆料的各种化学成分和复合材料，但低电迁移阻力和晶粒粗大导致的多孔烧结接头力学性能下降，使烧结接头的长期高温稳定性引起可靠性问题。反应性多层键合是通过界面上多个薄膜之间的相互混合和反应来进行的。尽管接头通常是完好的，但这个过程包括真空过程和至少含有两种成分的沉积，因此这是一个非常耗时和昂贵的过程。瞬态液相(TLP)键合是在填充材料与基体反应形成TLP的基础上进行的。当TLP被完全消耗并转化为高温相时，接头在成键过程中会发生等温凝固。TLP键合已应用于电子封装;然而，使用传统锡基焊料通常会产生完整的IMC接头。虽然完全IMC接头的性能可以通过热处理来调整，但孔隙的形成是一个严重的问题。而且，全IMC接头具有导电性和导热性差的缺点。Lin等人在银与银的互连中采用铟(In)作为填充材料，进行TLP键合。在我们之前的工作中，镓(Ga)由于其熔点低(29.8℃)，在Cu中的溶解度高，采用镓(Ga)直接连接Cu垫片，希望在界面处形成fcc-(Cu,Ga)固溶体，即一个“无界面”的连接；然而，在界面IMCs的形成方面的这些努力并没有成功。据作者所知，现有的技术都不能很好地满足高温应用对接头热稳定性的要求。在本研究中，选择Ni UBM作为基于Ga的Cu-Cu键合材料，主要有两个原因：(1)提高熔融Ga与Cu基体之间的润湿性，(2)提高与Cu基体的同构性。提出了一种利用Ga焊料和Ni UBM进行Cu-Cu结合的新方法，旨在生产高强度、热稳定的Cu-Cu接头。
2. 实验方法
图1为键合试样的制备过程。6.75mu;m薄纯Cu箔切成0.5厘米times;0.5厘米的片段,用氧化铝磨料打磨抛光至1mu;m。从100纳米到6mu;m不同厚度的Ni在电流密度为0.025 A/ cm2 情况下电镀，时间从5秒到300秒不等，使用一种氨基酸基镀Ni液(台湾盛鸿化工有限公司)电镀到Cu基板上。在成键之前，在Cu/Ni基板的每个Ni表面涂上一层薄薄的助焊剂。通过使用少量压力（约0.4 MPa）将少量（约0.05g）纯熔融Ga（99.9％，Alfa Aesar，USA）夹在两个对称的面对面Cu / Ni基板中间来制备Cu/Ni/Ga/Ni/Cu对。Cu/Ni/ Ga/Ni/Cu 对在300℃，1 mmHg真空下退火24 h。在焊接过程的最后，试样在冰水中淬火，通过打破真空，以保留热处理/焊接过程后的最终微观结构。采用带背散射电子探测器的场发射扫描电子显微镜(FE-SEM, JSM-7001F, JOEL, Japan)，对断口微观组织进行金相分析，同时采用电子探针显微分析仪(EPMA, JXA-8200, JOEL，日本)对成分进行定量分析。此外，为了揭示接头处的界面晶粒结构，还使用离子研磨系统(IM-4000，日立，日本)制作并抛光截面。此外，Cu-Cu接头的剪切强度在定制的剪切试验机的应变速率3.3 mu;m / s下测量。对每一粘结条件进行至少3次测量，得到具有标准误差的平均剪切强度。利用俄歇电子光谱仪(AES, V‧G Microlab 350, Thermo-Fisher, UK)对断口表面进行元素映射分析。
3.结果与讨论
图2（a）显示了在300℃下键合24小时的具有3mu;m厚的Ni UBM的Cu/Ni/Ga/Ni/Cu夹层对的横截面背散射电子图像（BEI）。 可以看出，除了浅灰色Cu基底之外，界面处还形成了一层深灰色的反应层。 图2（b）显示了在Cu-Cu接头的界面上的EPMA组成线扫描剖面，如图2 (a)中虚线箭头所示。令人惊讶的是，可以看出得到了均匀的组合物，即，原始的Ni/Ga/Ni界面减少，并且Cu浓度在富Ni层上是均匀的。 因此，尽管图2a中所示的BEI仅能区分Cu基底和富Ni层，但相应的EPMA定量线扫描清楚地阐明了扩散/反应发生在整个Ni层之间，以下简称“反应区”。反应区的平均组成确定为Ni2.64Cu且没有检测到Ga含量。根据CuNi二元相图，这是fcc-(Ni,Cu)固溶相。由于在反应区EPMA的分辨率界限内未检测到Ga，推测微量Ga均溶解在反应区的fcc相中，形成fcc(Ni,Cu,Ga)固溶体。采用fcc-（Ni，Cu，Ga）固溶体作为反应层的类似良好结合的接头成功制备了具有不同厚度的Ni UBM的Cu/Ni/Ga/Ni/Cu对，范围为6至0.5mu;m， 分别如图3（a）至（c）所示。 结果发现，fcc-（Ni，Cu，Ga）反应层的厚度与Ni UBM的初始厚度高度相关，即在接头处形成了的fcc-（Ni，Cu，Ga）反应区越薄，那么最初的Ni UBM越薄。 此外，如图3（d）所示，fcc-（Ni，Cu，Ga）固溶体中的Cu含量也随Ni UBM的厚度而变化，0.5mu;m到6mu;m厚 Ni UBM，浓度范围分别为14.3% 到2.6% 。越薄的Ni UBM制成的fcc-（Ni，Cu，Ga）固溶体中溶解更多的Cu。 根据图2、图3所示的结果所示，Cu/Ni/Ga/Ni/Cu夹层对在键合后完全转变为Cu / fcc-（Ni，Cu，Ga）/ Cu接合。
如图2（c）和（d）所示，通过接头的离子铣削的横截面二次电子图像（SEIs）显示了接头处的界面晶粒结构。 在fcc-（Ni，Cu，Ga）固溶体相区可以观察到几微米的细晶粒，而Cu基底是几十微米的大晶粒。在键合界面上，除了少数亚微米或纳米尺度的空洞外，键合界面的大部分区域都形成了紧密的接触，其特征有两个: (1)基板两侧的晶粒撞击到键合界面处，形成沿界面平行的晶界;(2)晶粒沿着原始键合界面形成。界面晶粒形态与接头的机械性能密切相关，这将在后面讨论。此外，虽然表面粗糙度对任何键合工艺都是至关重要的，而且对于直接金属键合工艺来说是最关键的，但它对填充材料没有那么敏感。本实验中，使用冶金抛光的Cu基板（使用Al2O3磨料，如上面所述，磨至1mu;m），我们证明了在键合界面处存在少量的Ga有效地填充了间隙并促进了反应和 Ni，Cu和Ga之间的扩散，导致形成fcc-（Ni，Cu，Ga）固溶体接头而不形成IMC。
如图4（a）所示，当在Cu衬底的每一侧使用300nm厚的Ni UBM时，它仍然与其他情况下的厚Ni UBM良好地结合（图2，图3）。但是，反应区变得不那么明显了。 图4（b）分别显示了每侧连接300 nm厚Ni UBM的Cu，Ni和Ga的EPMA元素映射。在键合界面上，贫Cu区与富Ni区一致，在反应区内形成断裂带。尽管用于使用EPMA的定量分析的断裂带的宽度太薄，但是该反应相被认为是富Ni的fcc-（Ni，Cu，Ga）相，如在具有厚Ni UBM的对中形成的那些。 当使用100nm厚的Ni UBM时，如图4（c）所示，反应区及其与两个Cu衬底的边界变得难以区分。根据Cu、Ni、Ga的EPMA元素映射，如图4 (d)所示，fcc-(Ni,Cu,Ga)反应相仍然形成，但不再是连续层，也没有断裂带。相反，在键合界面处发现了富Ni相的离散岛，而其余区域是具有Cu基底的连续固溶体，即“无界面”Cu-Cu互连。根据图2、图3、图4所示的结果，Ni UBM的厚度决定了接头的界面形态，包括fcc-(Ni,Cu,Ga)反应区的尺寸和分布。如图1所示，Ni UBM相对较厚(ge;500 nm)时，可以得到完整的固溶Cu-Cu接头，即Cu/fcc-(Ni,Cu,Ga)/Cu接头，而当Ni UBM足够薄(le;300nm)时，可以用少量分散的fcc-（Ni，Cu，Ga）固溶颗粒实现部分“无界面”的Cu-Cu接合。结果不仅证明了Cu、Ga、Ni三元混合物在界面形成fcc固溶体的化学性质，而且证明了在Cu/Ni/ Ga/Ni/Ni/Cu TLP键合中，用足够少量的Ga和Ni完成相变形成“无界面”Cu-Cu接头的可行性。
固溶体接头的形成是有希望的，但令人惊讶的是，因为我们知道界面反应和IMC的形成主导了Cu
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