答辩博士：孙磊
指导教师：陈明和 教授/博导
论文题目：3D封装瞬时液相键合机理及焊点改性研究
答辩委员会：
主席：薛 烽 教授/博导 东南大学
委员：沈以赴 教授/博导 南京航空航天大学
左敦稳 教授/博导 南京航空航天大学
陈文亮 教授/博导 南京航空航天大学
谢兰生 教授/硕导 南京航空航天大学
张 亮 教授/硕导 江苏师范大学
陈明和 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：王长瑞 副研究员/硕导 南京航空航天大学
答辩时间：2020年6月16日 09：00
地 点：A15-425
学位论文简介：
瞬时液相键合形成金属间化合物（IMC）焊点的工艺可以有效实现芯片堆叠互连，已成为3D封装芯片堆叠互连的核心技术之一，但IMC焊点存在柯肯达尔空洞和应力集中等致命缺点，导致芯片堆叠互连的可靠性急剧下降。本文针对瞬时液相键合形成的IMC焊点存在的问题，基于热力学原理，采用实验技术与有限元模拟相结合的方法，深入研究瞬时液相键合机理，并通过在Sn互连钎料中加入适量微米级CuZnAl颗粒改善键合焊点的性能及可靠性。
论文的主要研究工作包括：
（1）瞬时液相键合机理及固-液界面反应研究
精确表征Sn/Cu界面反应特征，揭示瞬时液相键合形成全IMC焊点机理。通过研究键合工艺参数（键合温度、压力及时间）对焊点的组织形成影响，获得瞬时液相键合Cu/Sn/Cu体系的合理工艺参数。
（2）Cu-Sn金属间化合物组织演变及生长动力学研究
研究不同键合温度对Cu/Sn/Cu焊点组织演变的影响机制，分析界面IMC生长动力学，建立IMC焊点空洞与IMC种类、生长行为之间的关系。基于EBSD测试技术，研究Cu-Sn IMC晶粒取向。
（3）CuZnAl颗粒对Sn互连钎料的改性研究
阐明CuZnAl颗粒对焊点界面IMC生长的抑制机理，通过机械搅拌法制备Sn-xCuZnAl复合互连钎料，研究不同含量的CuZnAl颗粒对Sn互连钎料的性能和组织影响，探讨CuZnAl颗粒的强化机制，优化颗粒的添加量。
（4）键合复合焊点物相反应及IMC生长行为研究，验证CuZnAl颗粒的影响规律
采用瞬时液相键合工艺对复合焊点基体组织和界面IMC演化影响研究，分析微米级CuZnAl颗粒对键合焊点组织的演变及IMC生长影响，探讨微米级CuZnAl颗粒对柯肯达尔空洞的抑制作用。
（5）瞬时液相键合复合焊点热疲劳可靠性评估
针对Cu/Sn-0.5CuZnAl/Cu键合复合焊点的可靠性，采用有限元模拟分析焊点热疲劳条件下的应力分布。通过热循环载荷作用下焊点IMC组织演化规律和焊点强度变化，探讨CuZnAl颗粒对焊点性能的影响规律及焊点热疲劳失效机理。
主要创新点：
1. 通过对瞬时液相键合Cu/Sn/Cu焊点形成机理的研究，得出了不同键合温度下焊点的组织演化规律，建立了IMC焊点空洞与IMC种类、生长行为之间的关系，基于扩散理论和热力学原理发现了Cu3Sn的生长机制是受晶界扩散控制。
2. 提出了在Sn互连钎料中添加微米级CuZnAl颗粒构建复合焊点的改性方法，基于微米级CuZnAl颗粒可以吸附在IMC晶粒的表面，有效降低晶粒的表面自由能，抑制了界面IMC的生长。
3. 揭示了CuZnAl颗粒对Sn互连钎料的润湿性影响机制，CuZnAl颗粒易于聚集在熔融钎料的表面，打破熔融钎料固-液-气之间的三相平衡，促进钎料的润湿流动，降低了钎料的润湿角。
4. 基于Garofalo-Arrhenius蠕变模型，采用有限元方法来评估3D封装瞬时液相键合焊点的可靠性，通过田口法优化封装结构和工艺参数，提高了结构的可靠性。结合热循环载荷下焊点IMC演化规律和焊点强度变化，得到了CuZnAl颗粒对焊点性能的影响规律。
