热梯度键合：台湾大学高振宏教授采用热梯度引发原子定向扩散的方法制备出全Cu6Sn5焊点[36]。对于Cu/Sn(10μm)/Cu焊点，两端温度分别为200℃和300℃，6min后几乎转变为全Cu6Sn5焊点。实验把热梯度键合时间设定为1,2,3和5min。在底部进行加热1min后，观察到界面IMC的高度不对称生长，在冷端生长成较厚的Cu6Sn5，在热端只形成较薄的Cu6Sn5。此时Cu6Sn5颗粒显示经典扇形形态。Cu6Sn5的不对称生长随着时间增加到2和3min变得更加明显。当时间达到5min，Cu6Sn5晶粒生长从冷端接触到热端。较大的Cu6Sn5晶粒从冷端合并，成为跨越两端的许多单一取向晶粒。晶粒的形态从初始状态变为扇形再变为列。相信在固相跨越整个节点的状态下，焊点坚固到足以承受随后的芯片堆叠。图1-3显示了存在热梯度情况下（顶部：300℃;底部：200℃）Cu/Sn(10mm)/Cu焊点受热6分钟的显微照片以及Cu6Sn5的相应晶粒取向。热梯度键合最重要的优点是Cu6Sn5晶粒生长快得多，并且垂直颗粒碰撞所需的时间总体上缩短。没有温度梯度，Cu6Sn5的不对称生长消失，并且上下界面上产生的化合物的量大约相同。更重要的是，即使在15min的键合之后，晶粒冲击也不发生。仅在20min时效后，观察到Cu6Sn5颗粒的垂直碰撞。总之，没有温度梯度，Cu6Sn5晶粒从相反方向生长所需的时间要长得多，通过引入温度梯度，可以加速不对称的Cu6Sn5生长。与高温液相键合相比，此方法制备速度可提高3-10倍，同时Cu6Sn5晶粒从焊点的冷端单向生长。此方法一方面保护了焊点冷端的基体，同时使得IMC择优取向生长。

图1-3存在热梯度情况下（顶部：300℃;底部：200℃）显示Cu/Sn(10mm)/Cu焊点受热6分钟的显微照片。还显示了通过使用EBSD测定的Cu6Sn5的相应晶粒取向[36]。

1.3.2Ni/Sn/Ni焊点的研究现状

Sn基钎料的合金和Cu基体焊接时所形成的界面，基本上是从Cu侧依次形成Cu3Sn、Cu6Sn5两层金属间化合物。如图1-4所示为Cu-Sn二元相图。可知Cu6Sn5熔点约415℃，Cu3Sn熔点约676℃

图1-4Cu-Sn二元相图

Cu基板在焊接受热时会在Cu/Sn界面处生成一层Cu6Sn5，在随后的过程Cu6Sn5相会转变成薄层的Cu3Sn相，并在焊接后的时效过程中Cu3Sn层的厚度随时效时间的增长而增加，其生长是依靠原子间的相互扩散。其中以Cu原子通过Cu3Sn、Cu6Sn5两层金属间化合物向钎料中扩散为主。并且因为由基板向钎料中扩散的Cu原子数目大于由钎料向基板中扩散的Sn原子数目，所以会在Cu与Cu3Sn界面之间形成柯克达尔空洞。时效过程不仅加速柯克达尔空洞的产生，并促使较小的柯克达尔空洞聚集长大。最终会导致界面的破坏、失效，影响焊点的可靠性。

镀镍在电子封装的电子元器件中的应用很广泛，具有Ni涂覆层的器件基本都满足表面平整，工作稳定性好，寿命长，可焊性优良等优点。Ni涂覆层的性能不仅受工艺方法的影响，P的含量也对其有影响。一般来说Ni的性能较稳定，与Cu相比，其界面反应层较薄，晶粒较细，而且Ni的线膨胀系数比Cu的线膨胀系数要小。因此Ni可作为扩散阻挡层阻碍Cu向钎料中的扩散。器件经过焊接和时效处理后，Ni与钎料中含有的Sn形成了金属间化合物Ni3Sn4。如图1-5所示为Ni-Sn二元相图，可以看出来Ni3Sn4的熔点为794.5℃。

由于钎料和Cu的反应速率很快，因此人们希望通过改变工艺参数来抑制CuUBM的过渡消耗。查阅一些资料可知，Ni与钎料的反应速率与Cu与钎料的反应速率相比是非常小的，Ni3Sn4的弹性模量和剪切模量等均大于Cu6Sn5的同时其键合作用也比较强[37]。因此Ni做为扩散阻挡层已经在电子封装中得到了普遍的应用[38]。目前尚缺少有关Ni/Sn/Ni焊点在热迁移条件下金属间化合物生长行为和界面形貌的研究，所以本课题将选用Ni作为UBM，研究Ni/Sn/Ni焊点在热梯度键合下生成全IMC微焊点的行为。