1.3.1高熔点焊点的制备方法

为了提高全IMC焊点的制备效率，国内外研究者提出的主要键合方法包括：超声键合、纳米金属浆料低温烧结键合、微电阻点焊键合和热梯度键合等。

超声键合：超声波辅助焊接已被证明能够在很短的焊接时间内在低温下形成芯片互连[25-27]。多年来，还研究了使用预热超声波焊接的焊料凸块的倒装芯片封装[28,29]，成功的超声波辅助焊接的报告非常少见。主要原因是超声波和接合力可能对电子设备造成不可逆的损坏或加速老化等影响[26]。哈尔滨工业大学李明雨教授提出常温下采用超声键合快速制备全Cu3Sn焊点的方法。超声的功率750W、振动频率20KHz，同时施加0.6MPa键合压力，室温下仅需4s便获得了拥有比传统的回流焊焊点更高的导热性和机械强度的全Cu3Sn微焊点[30]。超声波在液体介质中的传播过程中可能会产生声空化现象，超声波效应主要来自于这种声空化，包括微气泡的形成，生长和快速爆炸性崩溃[30]。该方法虽然很大程度上缩短了键合时间，但是较大的压力和超声功率对芯片的影响尚不明确。随后他们改进了实验装置，将芯片保护在一个中空装置中[31,32]，进而使压力和超声间接作用在芯片上，以达到快速键合又不损伤芯片的目的。总之，通过超声高压辅助焊接，在芯片接合期间快速形成完整的金属间化合物焊点，可用于高温封装。纳米金属浆料低温烧结键合：哈尔滨工业大学王春青教授采用化学方法成功制备出Cu6Sn5纳米浆料，随后采用低温烧结的方法制备出全Cu6Sn5焊点[33]。高温电路互连材料是非常需要的，因为其快速多功能化和小型化，特别是诸如碳化硅(SiC)和宽带隙半导体的商业化，目前电子器件的功率密度和高温能力正在经历前所未有的增长。脆性金属间化合物如Cu6Sn5可以通过在低温下烧结而转化为低成本、非脆性、超塑性和耐高温的互连材料。在烧结温度为200℃、时间为20min、压力为5Mpa的情况下，所得Cu6Sn5微焊点解决了金属间化合物普遍较脆的问题，因此所得焊点具有优异的电、热、力学特性。

王春青教授通过纳米金属浆料低温烧结键合将硬脆性的Cu6Sn5金属间化合物材料转化为具有应力容纳特性的非常理想和优越的高温电路连接材料。如图1-2所示。

10nm级纳米粒子容易合成并制成糊状物以便于使用。熔点温度为415℃的金属间化合物Cu6Sn5甚至可以在低于200℃的低温下结合。实验证明，通过这种键合方法得到的连接材料经过低温和短时间时效后，能够产生超均匀的无孔界面形成纳米晶粒级别的超塑性连接。这种纳米Cu6Sn5结合材料是一种实用的附着材料，易于加工，用于组装无铅、高温部件或具有超细间距配置的柔性器件。通过纳米方式将脆性金属间化合物转化为非脆性，超塑性和耐高温粘合材料的概念也可以广泛应用于许多其他金属间化合物，包括Cu-Sn，Ni-Sn，Ag-Sn，Zn-Sn，Cu-Al，以产生高可靠性的电路连接材料，也可以实现超高密度，千分尺或亚微米尺寸电路接触焊盘的连接[33]。

图1-2：(a)烧结Cu6Sn5与Cu基板之间界面的高倍率图像；(b)显示超均匀界面的FIB结果（虚线是应该观察界面的位置）；(c)大面积烧结Cu6Sn5，插入图像是较高放大倍率的图像，显示较亮的线不是裂纹，而是致密的烧结Cu6Sn5[33]。微电阻点焊键合：高温稳定的电路互连结构对于宽带隙半导体器件在恶劣环境(>200°C)下工作是非常重要的。哈尔滨工业大学田艳红教授利用界面接触电阻的焦耳热效应提出微电阻点焊制备全Cu3Sn焊点的方法[34,35]。电流密度~104A/cm2、压力为0.08MPa，室温下仅需200ms便获得了稳定的30μm全Cu3SnIMC焊点，同时Cu3Sn晶粒具有择优取向，该方法大大缩短了键合时间。Cu、Sn金属间化合物的显微组织演化表明，焦耳热与电流显著增强了液态钎料Sn与固态基板Cu之间的界面反应。随着熔融Sn钎料中Cu原子快速的电迁移行为，由于结构过冷而形成柱状树枝晶状化合物Cu6Sn5，然后完全转变为Cu3Sn化合物。所得到的Cu3Sn互连显示出比基于Sn的互连更高的机械强度，表明这种类型的互连在高温电力电子学中的应用有很高的前景。