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关键词：全IMC焊点；金属间化合物；TSV；IMC形貌；结构优化设计典型图片
微电子技术发展已进入集成系统芯片和模块芯片时代，微芯片对互连技术提出了高密度互连和高信号传输率的要求，三维立体封装技术能在高度上实现多层芯片模块化封装，使体积大大减少的同时会使芯片内部的互连点变得更小，几个微米厚的互连焊点在服役过程中由于芯片的发热会转变成全金属间化合物（Intermetallic Compound，IMC），所以对稳定的全IMC焊点工艺及组织的研究具有重要的现实意义。
针对全IMC焊点的制备和组织演化以及三维封装体的结构优化设计进行了一系列研究：固液互扩散低温键合参数优化；焊点内金属间化合物演变机制及生长动力学；EBSD测试技术对不同键合阶段焊点处晶粒分布情况以及各相之间的界面边界进行分析；对键合过程中3D封装芯片产生的热应力进行模拟与评估，进而优化封装结构。
研究结果表明： 在合适的键合工艺参数下可获得全IMC的Cu3Sn焊点，焊点内部存在蜂窝状孔隙的原因是钎料填充不足和Cu-Sn反应的体积效应；分析了不同键合温度和键合时间下焊点微观组织的演变过程，阐述了 “锡岛”的形成机理；对接焊点内Cu6Sn5整体上呈扇贝状，以表面小晶粒长大、融合、包覆的方式增长，当焊点两侧Cu6Sn5晶粒相接时融合成一个大晶粒； Cu3Sn晶粒呈簇状柱状晶的分布趋势，Cu6Sn5的晶粒取向不同导致了在其内部生长的簇状Cu3Sn晶粒生长方向不同，Cu3Sn晶粒横断面尺寸范围1～3 μm，在全IMC焊点内存在焊点两侧Cu3Sn相接时形成的晶界线；提取了不同键合温度下的Sn，Cu6Sn5和Cu3Sn的厚度，修正Cu6Sn5的厚度并拟合发现Cu6Sn5的增长更符合熔融通道控制模型，而Cu3Sn的增长符合体扩散控制模型，两种IMC的生长速率常数随温度的升高而增大；3D封装的有限元模型中铜柱及焊点的第一主应力最大点出现在底层外部边缘拐角处，芯片应力最大点出现在通孔内表面；热循环过程中焊点应力呈稳定的周期性变化趋势；数值正交试验显示封装体结构参数中，填充树脂的厚度对焊点应力的影响最大，影响适中的是芯片厚度，最弱的是填充树脂的硬度。芯片厚度增加应力增加，随填充树脂厚度和硬度的增加，应力降低。
微电子技术发展已进入集成系统芯片和模块芯片时代，微芯片对互连技术提出了高密度互连和高信号传输率的要求，三维立体封装技术能在高度上实现多层芯片模块化封装，使体积大大减少的同时会使芯片内部的互连点变得更小，几个微米厚的互连焊点在服役过程中由于芯片的发热会转变成全金属间化合物（Intermetallic Compound，IMC），所以对稳定的全IMC焊点工艺及组织的研究具有重要的现实意义。
针对全IMC焊点的制备和组织演化以及三维封装体的结构优化设计进行了一系列研究：固液互扩散低温键合参数优化；焊点内金属间化合物演变机制及生长动力学；EBSD测试技术对不同键合阶段焊点处晶粒分布情况以及各相之间的界面边界进行分析；对键合过程中3D封装芯片产生的热应力进行模拟与评估，进而优化封装结构。
研究结果表明： 在合适的键合工艺参数下可获得全IMC的Cu3Sn焊点，焊点内部存在蜂窝状孔隙的原因是钎料填充不足和Cu-Sn反应的体积效应；分析了不同键合温度和键合时间下焊点微观组织的演变过程，阐述了 “锡岛”的形成机理；对接焊点内Cu6Sn5整体上呈扇贝状，以表面小晶粒长大、融合、包覆的方式增长，当焊点两侧Cu6Sn5晶粒相接时融合成一个大晶粒； Cu3Sn晶粒呈簇状柱状晶的分布趋势，Cu6Sn5的晶粒取向不同导致了在其内部生长的簇状Cu3Sn晶粒生长方向不同，Cu3Sn晶粒横断面尺寸范围1～3 μm，在全IMC焊点内存在焊点两侧Cu3Sn相接时形成的晶界线；提取了不同键合温度下的Sn，Cu6Sn5和Cu3Sn的厚度，修正Cu6Sn5的厚度并拟合发现Cu6Sn5的增长更符合熔融通道控制模型，而Cu3Sn的增长符合体扩散控制模型，两种IMC的生长速率常数随温度的升高而增大；3D封装的有限元模型中铜柱及焊点的第一主应力最大点出现在底层外部边缘拐角处，芯片应力最大点出现在通孔内表面；热循环过程中焊点应力呈稳定的周期性变化趋势；数值正交试验显示封装体结构参数中，填充树脂的厚度对焊点应力的影响最大，影响适中的是芯片厚度，最弱的是填充树脂的硬度。芯片厚度增加应力增加，随填充树脂厚度和硬度的增加，应力降低。