【摘 要】
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电子封装技术微型化密集化发展,使得焊点尺寸急剧减小,这将造成钎焊回流时焊点内过冷度增大、焊点界面处元素交互扩散作用增强,再加上焊点界面反应“尺寸效应”,从而使焊点钎焊界面金属间化合物（Intermetallic compound,IMC）层厚度急剧增加。由于IMC的脆性,使焊点的可靠性面临严峻挑战,因此如何有效抑制焊点界面IMC的过度生长,提高焊点可靠性,成为决定先进封装技术微型化发展的关键。本文
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电子封装技术微型化密集化发展,使得焊点尺寸急剧减小,这将造成钎焊回流时焊点内过冷度增大、焊点界面处元素交互扩散作用增强,再加上焊点界面反应“尺寸效应”,从而使焊点钎焊界面金属间化合物（Intermetallic compound,IMC）层厚度急剧增加。由于IMC的脆性,使焊点的可靠性面临严峻挑战,因此如何有效抑制焊点界面IMC的过度生长,提高焊点可靠性,成为决定先进封装技术微型化发展的关键。本文在Sn/Cu钎焊界面分别引入与Sn反应的Cu纳米颗粒（Nanoparticles,NPs）和不与Sn反应的TiO2 NPs,结合高压空气清除液态钎料技术,研究了钎焊保温阶段和冷却阶段Cu NPs和TiO2 NPs对Sn/Cu钎焊界面反应的影响,分析了不同NPs作用下不同钎焊阶段焊点界面Cu6Sn5 IMC的生长规律。结合目前工业中制备微凸点的电沉积技术,通过双脉冲电沉积方法制备出了平整、致密、NPs均匀分散的纳米颗粒复合钎料焊点,并对制备工艺进行了优化,在此基础上研究了纳米颗粒复合钎料焊点界面Cu6Sn5生长规律,为纳米颗粒复合钎料焊点的工业推广提供技术支持以及数据参考,并为提高焊点可靠性提供新思路。本论文的主要研究结果如下:（1）通过研究Cu NPs作用下Sn/Cu焊点界面反应以及Cu6Sn5的生长行为发现:随着Cu NPs添加量的增大,焊点界面Cu6Sn5层厚度先减小后增大的趋势。在焊点钎焊保温阶段初期,由于Cu NPs不仅可以提供异质形核点还可以部分溶解于液态钎料中使Cu原子浓度增高,使Cu6Sn5形核数目增多晶粒尺寸急剧减小。随着钎焊保温过程的进行,Cu6Sn5生长受两种竞争机制共同作用,一方面Cu原子浓度增高促进Cu6Sn5晶粒间的吞并,使Cu6Sn5晶粒尺寸增大;另一方面Cu NPs和Sn反应形成的Cu6Sn5颗粒可吸附在Cu6Sn5晶粒表面,使其表面能降低,进而使其生长速率减慢。对于钎焊冷却阶段,在Cu NPs作用下液态钎料铺展面积增大焊料高度减小,液态钎料受到的径向温差增大、扰流作用减弱,则Cu原子向钎焊界面扩散过程减慢,从而一定程度上抑制了棱柱状Cu6Sn5的长大;同时由Cu NPs和Sn反应生成的Cu6Sn5颗粒可钉扎在棱柱状Cu6Sn5二维形核侧向生长台阶和螺型位错生长台阶边缘,抑制台阶的扩展,进一步抑制棱柱状Cu6Sn5的生长。（2）通过研究TiO2 NPs作用下Sn/Cu焊点界面反应以及Cu6Sn5生长行为发现:对于相同尺寸的5 nm TiO2 NPs,随着TiO2 NPs含量的增加,Cu6Sn5层厚度逐渐减小。在钎焊界面反应初期,由于TiO2 NPs可以为Cu6Sn5的形核提供异质形核点,增大了Cu6Sn5的形核数量,使钎焊界面形成的Cu6Sn5晶粒数目增多晶粒尺寸减小。随着钎焊保温过程的进行,TiO2 NPs在Cu6Sn5晶粒表面吸附和晶界处的塞积,导致Cu6Sn5晶粒表面能降低和Cu原子通量减少,使Cu6Sn5生长速率减慢。在钎焊冷却阶段,TiO2 NPs钉扎在Cu6Sn5二维形核侧向生长台阶边缘和螺型位错生长台阶边缘,抑制了棱柱状Cu6Sn5生长。在相同含量TiO2 NPs作用下,比表面积大的5 nm TiO2 NPs在Cu6Sn5晶粒表面的吸附效应明显大于50 nm的TiO2 NPs,小尺寸TiO2 NPs对Cu6Sn5生长的抑制作用更强。（3）通过对比Cu NPs和TiO2 NPs作用下Sn/Cu焊点界面Cu6Sn5生长行为发现:Cu NPs和TiO2 NPs作用下Cu6Sn5层厚度均有所减小,即Cu NPs和TiO2 NPs的添加均可以抑制Cu6Sn5的生长;然而在钎焊保温过程中,Cu NPs的作用可以使液态钎料中Cu原子通量增加,进而促进了 Cu6Sn5的横向生长。对于TiO2 NPs而言,随着TiO2 NPs添加量的增大,TiO2 NPs在Cu6Sn5晶粒表面和晶界处的吸附,导致Cu6Sn5晶粒表面能的降低和Cu原子熟化通量的减少,抑制了 Cu6Sn5晶粒间的吞并生长;即相对于Cu NPs,TiO2 NPs作用下Cu6Sn5晶粒尺寸更小。（4）采用双脉冲复合电沉积技术成功制备出了 TiO2 NPs均匀分散的Cu/Sn-TiO2/Cu微焊点,研究TiO2 NPs作用下微焊点钎焊界面Cu6Sn5生长行为发现:在TiO2 NPs的作用下Sn-TiO2复合钎料微焊点界面Cu6Sn5体积占焊点的体积比例减小,在这个过程中TiO2 NPs对Cu6Sn5生长的抑制作用机理为:1)TiO2 NPs吸附钉扎在Cu6Sn5晶粒表面,降低Cu6Sn5晶粒表面自由能,阻碍Cu6Sn5晶粒界面的迁移,使Cu6Sn5生长速率减慢。2)TiO2 NPs聚集于Cu6Sn5晶界处,阻碍Cu6Sn5晶粒之间吞并,抑制Cu原子向液态钎料内扩散,抑制Cu6Sn5生长。
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