电子封装金属微凸点制备技术研究进展

起着电互连、热传递和机械支撑等重要作用的金属微凸点是基于面积阵列封装的关键。以球栅阵列封装(Ball Grid Array Packaging, BGA)、芯片尺度封装(Chip Scale Packaging, CSP)以及倒装芯片封装(Flip Chip Packaging, FCP)为代表的面积阵列封装形式凭借硅片利用率高、互连路径短、信号传输延时短以及寄生参数小等优点迅速成为当今中高端芯片封装领域的主流。然而,不同应用领域的微凸点具有尺寸跨度大、材料范围广的特点,很难有一种技术能实现全尺寸范围内不同材料金属微凸点的制备。文中综述了当前主流的微凸点制备技术,包括每种技术的优缺点及其适用范围、常见微凸点材料等,最后对当下微凸点制备技术的发展趋势进行了展望。

倒装芯片中凸点与凸点下金属层反应的研究现状

随着当代电子封装技术的飞速发展以及无铅化潮流的兴起,倒装芯片中凸点(Solder Bump)与凸点下金属层(UBM)之间的反应的研究成为当前研究的热点。综述了 UBM 与凸点反应研究的最新进展,总结了钎焊过程中的界面反应和元素扩散行为,分析了界面金属间化合物层(IMC)在长时间回流焊接过程中剥落的原因,进一步指出了凸点与 UBM 反应研究的趋势。

UBM凸点互连结构信号完整性分析

建立了凸点下金属层(under bump metallization,UBM)和凸点互连结构仿真分析模型,基于HFSS软件对其高频条件下的信号完整性进行了研究.得到了UBM凸点互连结构表面电场强度分布,分析了UBM各层厚度及不同材料组合变化对UBM凸点互连结构信号完整性的影响.结果表明,不同信号频率下电场强度在凸点及UBM各层表面分布不均匀,越接近UBM顶端电场强度越大;随信号频率的提高,UBM凸点互连结构的回波损耗增大而插入损耗减小;随镍层厚度、铜层厚度和钛层厚度的增加插入损耗减小;采用Ti-Wu-Au组合UBM凸点互连结构的信号完整性最好,Ti-Cu-Ni组合次之,而Cr-Ni-Au组合最差.

凸点下金属层湿法刻蚀与凸点底切的控制

介绍了电镀凸点封装工艺流程和其中有关金属层湿化学刻蚀的问题。通过槽式批量和单片机刻蚀相应的UBM(凸点下金属层)的均匀度、刻蚀速率和凸点底切的对比,结果显示单片湿法刻蚀机刻蚀均匀度小于5%且片与片之间刻蚀速率差异小于2%,以及凸点底切小于2μm。槽式刻蚀均匀度较差,一般会大于20%,同时同一批次片与片之间刻蚀速率差异也较大,实验显示超过10%,且刻蚀后凸点底切较深。因此采用单片机进行UBM金属刻蚀可以较好的控制刻蚀过程和提高产品的良率。

倒装焊凸点材料及焊盘金属化

详细讨论了各种材料形成的凸点和基板焊盘金属化方法的长处和不足

SnAgCu凸点互连的电迁移

研究了无铅Sn96Ag3.5Cu0.5凸点与镀Ni焊盘互连界面的电迁移现象.在180℃条件下,凸点及互连界面在电迁移过程中出现了金属间化合物沿电子流运动方向的迁移,其演化过程呈现出显著的极性效应:阴极互连界面发生了金属间化合物的熟化、剥落和迁移;阳极互连界面则出现了金属间化合物的大量聚集.金属间化合物的演化和迁移造成了阴极处的物质减少,从而诱发空洞的形成和聚集,导致互连面积减小,整体电阻增大,可靠性降低.

圆片级封装的无铅焊料凸点制作技术研究

对圆片级封装(WLP)的结构设计和关键工艺技术进行了研究;描述了凸点下金属(UBM)层的选择,凸点回流技术,以及凸点的质量控制技术;重点阐述了采用电镀制作无铅焊料凸点的方法。

织构对铟凸点剪切强度的影响

制作了 2种形式的铟凸点 :即直接蒸发沉积的铟柱和将铟柱回流得到的铟球 .同时对比了铟柱和铟球 2种凸点的剪切强度 ,测试结果表明铟球剪切强度为 5 .6MPa ,铟柱的剪切强度为 1.9MPa ,前者约为后者的 2 .9倍 .对铟凸点微观结构的X光衍射分析发现 :铟柱剪切强度低是织构弱化所致 ;铟球剪切强度高是由于回流破坏了铟柱的理想 (10 1)丝织构模式 。

微尺寸SnAg凸点的制备技术及其互连可靠性

用电镀法制备了尺寸小于100μm的面阵列Sn-3.0Ag凸点.芯片内凸点的高度一致性约1.42%,Φ100mm硅圆片内的高度一致性约3.57%,Ag元素在凸点中分布均匀.研究了不同回流次数下SnAg/Cu的界面反应和孔洞形成机理,及其对凸点连接可靠性的影响.回流过程中SnAg与Cu之间Cu6Sn5相的生长与奥氏熟化过程相似.SnAg/Cu6Sn5界面中孔洞形成的主要原因是相转变过程中发生的体积缩减.凸点的剪切强度随着回流次数的增多而增大,且多次回流后SnAg/Cu界面仍然结合牢固.Cu6Sn5/Cu平直界面中形成的孔洞对凸点的长期可靠性构成威胁.

电镀方法制备锡铅焊料凸点

介绍了利用甲磺酸锡铅合金镀液制备电镀凸点的工艺过程 ,讨论了影响电镀质量的工艺参数 :表面光亮度、分散及覆盖能力、沉积速率等 .研究发现 ,电流密度Dk 与最低搅拌转速密切相关 .在相同的时间里 ,Dk越大 ,镀液的分散能力越稳定 ,合金的沉积速率也越高 .在甲磺酸质量分数、Dk 一定的条件下 ,适当地提高搅拌转速有利于改善凸点的电镀质量 .对电镀凸点的剪切强度测试表明 。

无铅互连凸点电迁移失效的四探针测量

针对无铅互连电迁移失效这一高密度封装时面临的重要课题进行了研究.采用四探针法分别监测了电流密度为1.5×104A/cm2和2.2×104A/cm2时Sn3.5Ag0.5Cu互连凸点上电压的变化,发现电流密度为2.2×104A/cm2时凸点的平均电阻变化率超过电迁移失效的临界值10%,分析了其微观结构的扫描电镜照片,所提出的发生电迁移失效的电流密度值为凸点设计提供十分有用的数据.对无铅互连凸点的电迁移失效过程和四探针测量法的测量误差进行了分析,提出了采用四凸点结构提高测量精度的改进措施.

应用于3D集成的高密度Cu/Sn微凸点键合技术

3D-IC技术被看作是应对未来半导体产业不断增长的晶体管密度最有希望的解决方案,而微凸点键合技术是实现3D集成的关键技术之一。采用电镀工艺制作了直径为50μm、间距为130μm的高密度Cu/Sn微凸点,分析了不同预镀时间及电流密度对Cu微凸点形成质量的影响,并使用倒装焊机实现了高密度Cu/Sn微凸点的键合。利用直射式X射线、分层式X射线对键合样片进行无损检测,结果表明键合对准精度高,少量微凸点边缘有锡被挤出,这是由于锡层过厚导致。观察键合面形貌,可以发现Cu和Sn结合得不够紧密。进一步对键合面金属间化合物进行能谱分析,证实存在Cu6Sn5和Cu3Sn两种物质,说明Cu6Sn5没有与Cu充分反应生成稳态产物Cu3Sn,可以通过增加键合时间、减少Sn层厚度或增加退火工艺来促进Cu3Sn的生成。

MEMS压力传感器上柔性化凸点制备方法

介绍了一种适用于MEMS压力传感器的低成本、柔性化凸点下金属层(Under Bump Metal,UBM)和凸点(Bump)的制备工艺。其中凸点下金属层分为Ni-P/Cu两层,使用化学镀的方法沉积在Al焊盘表面;凸点通过焊膏印刷回流预制于陶瓷基片上,再通过转移工艺移植到焊盘上。为了检验此套工艺制出的凸点结构是否具有足够的强度,对凸点进行了剪切破坏试验。结果表明,凸点与凸点下金属层、凸点下金属层与Al焊盘均结合牢固,破坏主要发生在焊料凸点内最薄弱的金属间化合物层(Intermetallic Compound,IMC)。

窄节距焊料凸点成形及焊盘尺寸对抗剪强度和微观组织的影响

通过优化模板印刷工艺实现了窄节距无铅焊料凸点成形,并观察了凸点形貌、高度以及评估成形的焊料凸点性能.利用拉力剪切力试验机对凸点进行剪切力测试,研究焊盘尺寸对凸点抗剪强度的影响,同时观察了断口形貌,最后对凸点内部及界面处的金属间化合物(intermetallic compound,IMC)进行了观察.结果表明,小尺寸焊盘的凸点较高、均匀性较好,抗剪强度表现出随焊盘尺寸减小而减小的尺寸效应,并从剪切受力和IMC分析尺寸效应的成因.其中大尺寸焊盘的凸点界面IMC形貌为扇贝状,而小尺寸焊盘的界面IMC为针状,容易导致应力集中而降低抗剪强度.

高可靠硅基MCM芯片凸点技术研究

介绍了采用芯片凸点和倒装焊技术(FCB)的MCM-Si工艺,重点研究了凸点下金属化(UBM)结构设计对电路可靠性的影响;通过再流焊和可靠性试验,以及凸点拉脱力测试,进行了可靠性评价。采用该工艺制作的电路已达到《混合集成电路通用规范》(GJB2438A-2002)可靠性等级的H级。

FeNi合金UBM圆片级封装焊点剪切力研究

Fe Ni合金与无铅焊料反应速率低,生成的金属间化合物(IMC)较薄,有望作为圆片级封装(WLP)凸点下金属(UBM)层材料。对两种Fe Ni UBM以及一种Cu UBM圆片级封装样品进行回流、湿热以及预处理实验,并通过推球的方法,对其焊点进行剪切测试。通过断面与截面分析,研究其在不同处理条件下的金属间化合物生长情况,分析其断裂模式。结果表明,Fe Ni UBM焊点剪切力高于Cu UBM。Fe47Ni UBM与焊料反应生成的金属间化合物较薄,对于剪切力影响较小,而Fe64Ni UBM与焊料反应生成离散的Cu Ni Sn金属间化合物,对于其焊点强度有提高作用,Cu UBM与焊料反应生成较厚的金属间化合物,会明显降低焊点的剪切力。断面分析表明,Cu UBM会随焊球发生断裂,其强度明显小于Fe Ni UBM。

用于2.5D封装技术的微凸点和硅通孔工艺

过去几十年里,微电子器件尺寸按照摩尔定律持续减小,已经进入到真正的纳米时代。尽管集成电路的特征尺寸已经进入20nm之下,但是在特定领域,尤其是存储器、FPGA等对资源要求极高的领域,仅仅依靠摩尔定律已经不能满足市场需求。市场永无止境地对在可控功耗范围内实现更多的资源以及更高的代工厂良率提出迫切要求。针对一种新的2.5D封装技术,介绍了其中使用的微凸点(microbump)和硅通孔(through-silicon vias,TSV)等两项关键工艺,并进行了分析。

化学镀Ni-P在纯锡凸点的应用及界面研究

采用化学镀Ni-P作UBM阻挡层,利用电镀的方法制备了面阵列和周边排布的无铅纯锡凸点,凸点高度为85±2μm,一致性良好。研究了不同回流温度下纯锡焊球的剪切强度、断裂模式和与Ni-P层反应生成的金属间化合物。结果表明,纯锡凸点回流时与Ni-P生成针状Ni3Sn4,凸点剪切强度达到92MPa以上。剪切断裂为韧性断裂,随着回流温度提高及回流时间延长,Ni3Sn4相由针状向块状转变,Ni-P层与Ni3Sn4层间生成层状Ni3P相,粗化的Ni3Sn4相受压应力向焊球内部脱落。

芯片凸点技术发展动态

Flip-chip技术是当今乃至今后相当一段时期内极富活力的芯片封装技术,本文对国外FC 的发展状况作了一番回顾,并就我国在该领域的发展提出了一点看法和建议。

芯片上Sn/Pb凸点的制作工艺

随着电子产品对小型、轻量、薄型、高性能的需求越来越迫切,使得倒装芯片技术得到了更加广泛的应用,而凸点的形成正是倒装焊接技术中的关键。本文介绍了用电镀法制作Sn/Pb凸点的基本方法,并对其中的厚胶光刻、UBM层溅射、电镀等关键工艺中应该注意的问题进行了描述。