用于倒裝芯片的銅球凸點(diǎn)制作技術(shù)研究＊

于金偉,游風(fēng)勇

(濰坊學(xué)院,山東 濰坊 261061;濰坊市留學(xué)人員回國工作辦公室,山東 濰坊 261061)

0 引言

隨著輕量化、薄型化、小型化、I/O端數(shù)的增加以及功能多樣化的發(fā)展,傳統(tǒng)的封裝技術(shù)已不能滿足高密度的要求,倒裝芯片封裝技術(shù)正在逐步取代引線鍵合的位置。所謂倒裝芯片技術(shù),是指半導(dǎo)體裸芯片有源面朝下,直接與印刷電路板或芯片載體基板進(jìn)行連接[1],芯片上的輸入/輸出端子和基板之間的互連通過芯片上的凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)和一般制作在基板上的焊接材料相互作用來實(shí)現(xiàn)。從圖1和圖2可以看出,這種技術(shù)避免了多余的工藝步驟,與傳統(tǒng)引線鍵合互連技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢。

(1)尺寸小、薄,重量更輕。

(2)密度更高,使用倒裝焊技術(shù)能增加單位面積內(nèi)的I/O數(shù)量。

(3)性能提高,短的互連減小了電感、電阻以及電容,信號完整性、頻率特性更好。

(4)散熱能力提高,倒裝芯片沒有塑封體,芯片背面可用散熱片等進(jìn)行有效的冷卻,使電路的可靠性得到提高。

(5)倒裝凸點(diǎn)等制備基本以圓片、芯片為單位,較單根引線為單位的引線鍵合互連來講,生產(chǎn)效率高,降低了批量封裝的成本。

圖1 傳統(tǒng)引線鍵合互聯(lián)技術(shù)

圖2 倒裝凸點(diǎn)互連技術(shù)

在近幾年中,金絲引線鍵合成本的不斷提高也促進(jìn)了倒裝芯片的更快發(fā)展。微電子行業(yè)為降低成本、提高可靠性,必將尋求工藝性能好、價(jià)格低廉的金屬材料來代替價(jià)格昂貴的金,眾多研究結(jié)果表明銅是金的最佳替代品,銅絲球焊具有更多優(yōu)勢。

(1)價(jià)格優(yōu)勢

引線鍵合中使用的各種規(guī)格的銅絲,其成本只有金絲的1/3-1/10。

(2)電學(xué)性能和熱學(xué)性能

銅的電導(dǎo)率為0.62(μΩ/cm)-1,比金的電導(dǎo)率0.42(μΩ/cm)-1大,同時(shí)銅的熱導(dǎo)率也高于金,因此在直徑相同的條件下銅絲可以承載更大電流。

(3)焊點(diǎn)金屬間化合物

對于金引線鍵合到鋁金屬化焊盤,對界面組織的顯微結(jié)構(gòu)及界面氧化過程研究較多,其中最讓人們關(guān)心的是“紫斑”(AuA l2)和“白斑”(Au2A l)問題,并且因Au和A l兩種元素的擴(kuò)散速率不同,導(dǎo)致界面處形成柯肯德爾孔洞以及裂紋。降低了焊點(diǎn)力學(xué)性能和電學(xué)性能[2],對于銅引線鍵合到鋁金屬化焊盤,研究的相對較少,Hyoung-Joon Kim等人[3]認(rèn)為在同等條件下,Cu/A l界面的金屬間化合物生長速度比A u/A l界面的慢10倍,因此,銅球凸點(diǎn)的可靠性要高于金球凸點(diǎn)。1992年8月,美國國家半導(dǎo)體公司開始將銅絲球焊技術(shù)正式運(yùn)用在實(shí)際生產(chǎn)中去,但目前銅球凸點(diǎn)運(yùn)用的依然很少,主要是因?yàn)殂~球凸點(diǎn)技術(shù)面臨著一些難點(diǎn):①銅容易被氧化,鍵合工藝不穩(wěn)定;②銅的硬度、屈服強(qiáng)度等物理參數(shù)高于金。鍵合時(shí)需要施加更大的超聲能量和鍵合壓力,因此容易對硅芯片造成損傷甚至是破壞。

本文采用熱壓超聲鍵合的方法,實(shí)現(xiàn)了Cu引線鍵合到A l-1%Si-0.5%Cu金屬化焊盤,考察了銅球凸點(diǎn)在200℃老化過程中的界面組織演變情況,銅球凸點(diǎn)力學(xué)性能變化規(guī)律,銅球凸點(diǎn)剪切失效模式,分析了銅球凸點(diǎn)不同失效模式產(chǎn)生的原因及其和力學(xué)性能的相關(guān)關(guān)系。

1 試驗(yàn)方法及材料

這種工藝直接用銅絲引線制作銅球凸點(diǎn),通過超聲熱壓使銅球凸點(diǎn)與芯片上的焊接區(qū)金屬(鋁盤)形成分子間的鍵合。銅球凸點(diǎn)的制備不同于常規(guī)的引線鍵合工藝,其制作流程如圖3所示。

圖3 銅球凸點(diǎn)的制作流程

首先,在毛細(xì)管的頂部形成焊球時(shí),增加了一套防氧化保護(hù)裝置,為燒球過程和鍵合過程提供可靠的還原性氣體保護(hù),即在一個(gè)懸空管內(nèi)充入N2,確保在成球的一瞬間與周圍的空氣完全隔離,以防止焊球氧化。之后毛細(xì)管降低使焊球與芯片焊接區(qū)相接觸,此時(shí)在適當(dāng)?shù)臏囟认聦盖蚣右赃m當(dāng)?shù)膲毫统暷芰?使之變形并與芯片焊接區(qū)金屬鍵合在一起,形成一個(gè)焊點(diǎn)。典型的引線鍵合工藝接下來將毛細(xì)管抬起后移動(dòng)一段距離形成線弧,再在線弧的另一端形成第二焊點(diǎn),并在第二焊點(diǎn)將銅線拉斷。而銅球凸點(diǎn)的制作則在形成第一個(gè)焊點(diǎn)后,將毛細(xì)管提升到球的上方拉斷引線,僅在銅球的上端留有少量尾狀物以更有利于倒裝芯片,還需要對銅球凸點(diǎn)進(jìn)行二次“整平”。這步工序是用一種特殊的毛細(xì)管來完成的,通過毛細(xì)管在銅球凸點(diǎn)的頂部向下施加適當(dāng)壓力,使凸點(diǎn)的尾狀物下陷,頂端變得平坦(見圖4)。二次整平的目的是為了得到高度一致的凸點(diǎn)。

圖4 銅球凸點(diǎn)鍵合過程示意圖

鍵合設(shè)備采用K&S公司生產(chǎn)的Nu-Tek絲球焊機(jī),超聲頻率為120kHz,芯片焊盤為A l+1%Si+ 0.5%Cu金屬化層,厚度為3μm。引線性能如表1所示。

采用DOE實(shí)驗(yàn)對鍵合參數(shù)(主要為超聲功率、鍵合時(shí)間、鍵合壓力和預(yù)熱溫度四個(gè)參數(shù))進(jìn)行了優(yōu)化,同時(shí)把能量施加方式做了改進(jìn),采用兩階段能量施加方法進(jìn)行鍵合,首先在接觸階段(第一階段),以較大的鍵合壓力和較低的超聲功率共同作用于金屬球,使其發(fā)生較大的塑性變形,形成銅球凸點(diǎn)的初步形貌;隨之用較低的鍵合壓力和較高超聲功率來完成最后的連接過程(第二階段),銅球凸點(diǎn)界面結(jié)合強(qiáng)度主要取決于第二階段,本文所采用的鍵合參數(shù),如表2所示。

表1 銅絲性能

表2 銅球凸點(diǎn)鍵合參數(shù)

為加速銅球凸點(diǎn)界面組織演變,在200℃下采用恒溫老化爐進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn),老化時(shí)間分別為n2天(n= 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11)。為防止銅球凸點(diǎn)在老化過程中被氧化,需要在老化過程中進(jìn)行氮?dú)獗Ｗo(hù)。

銅球凸點(diǎn)的橫截面按照標(biāo)準(zhǔn)的制樣過程進(jìn)行制備。由于銅球凸點(diǎn)的尺寸原因需要特別精心,首先采用樹脂進(jìn)行密封,在水砂紙上研磨到2000號精度,保證橫截面在銅球凸點(diǎn)正中,再采用1.0μm粒度的金剛石研磨劑在金絲絨專用布上拋光,H ITACH IS-4700掃描電鏡抓取了試樣表面的被散射電子像,EDX分析界面組成成分。

剪切實(shí)驗(yàn)是研究銅球凸點(diǎn)力學(xué)性能和失效模式的主要實(shí)驗(yàn)方法,采用Royce 580測試儀對各種老化條件下的銅球凸點(diǎn)進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn),記錄銅球凸點(diǎn)的剪切斷裂載荷,剪切實(shí)驗(yàn)時(shí),劈刀距離焊盤表面4μm,以5μm/s的速度沿水平方向推動(dòng)銅球凸點(diǎn),Olympus STM 6光學(xué)顯微鏡觀察記錄銅球凸點(diǎn)失效模式,對于每個(gè)老化條件,分別以48個(gè)銅球凸點(diǎn)用于剪切實(shí)驗(yàn),以滿足正態(tài)分布。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 銅球凸點(diǎn)金屬間化合物成長

銅絲球焊是在一定的溫度和壓力下,超聲作用很短時(shí)間內(nèi)(一般為幾十毫秒)完成,而且鍵合溫度遠(yuǎn)沒有達(dá)到金屬熔點(diǎn),原子互擴(kuò)散來不及進(jìn)行,因此在鍵合剛結(jié)束時(shí)很難形成金屬間化合物,對銅球凸點(diǎn)進(jìn)行200℃老化,銅球凸點(diǎn)生成金屬間化合物如圖5所示,在老化9天后沒有發(fā)現(xiàn)明顯的金屬間化合物,在老化16天時(shí),發(fā)現(xiàn)了很薄的Cu/A l金屬間化合物層(由于Cu和A l在300℃以下固溶度非常小,因此認(rèn)為生成的Cu/A l相是金屬間化合物),圖6顯示老化121天時(shí)其厚度也不超過1μm,沒有出現(xiàn)kirkendall空洞。

圖5 銅球凸點(diǎn)老化后SEM照片

圖6 銅球凸點(diǎn)200℃老化121天

在溫度、壓力等外界因素一定的情況下,影響Cu生成金屬間化合物速率的主要因素有晶格類型、原子尺寸、電負(fù)性、原子序數(shù)和結(jié)合能。

2.2 銅球凸點(diǎn)剪切斷裂載荷和失效模式

圖7顯示了銅球凸點(diǎn)剪切斷裂載荷老化時(shí)間的變化,可以看到,其剪切斷裂載荷在很長一段時(shí)間內(nèi)隨老化時(shí)間增加而增加,隨后剪切斷裂載荷下降,這主要與不同老化階段剪切失效模式不同有關(guān),同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),銅球凸點(diǎn)的剪切斷裂載荷較穩(wěn)定,并且在未老化及老化一定時(shí)間內(nèi),銅球凸點(diǎn)的剪切斷裂載荷比較好,老化時(shí)間增長后,銅球凸點(diǎn)沒有出現(xiàn)空洞及裂紋,其電氣性能較好。

對于銅球凸點(diǎn),剪切實(shí)驗(yàn)共發(fā)現(xiàn)了完全剝離、銅球殘留、鋁層斷裂和彈坑共4種失效模式。圖8顯示了銅球凸點(diǎn)剪切失效模式隨老化時(shí)間的變化,由于銅球凸點(diǎn)200℃時(shí)生成金屬間化合物很慢,因此其剪切失效模式在老化較長時(shí)間內(nèi)以完全剝離為主。彈坑隨老化進(jìn)行逐漸增多,尤其老化81天后,應(yīng)力型彈坑大量增加,導(dǎo)致剪切斷裂載荷下降,圖9所示為彈坑數(shù)量隨老化時(shí)間變化,需要說明的是彈坑包括應(yīng)力型彈坑和剪切性彈坑,應(yīng)力型彈坑為剪切實(shí)驗(yàn)之前就已經(jīng)存在的缺陷,而剪切型彈坑是由于接頭連接強(qiáng)度高,在剪切實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生,因此只有應(yīng)力型彈坑是導(dǎo)致剪切斷裂載荷下降的原因,銅球凸點(diǎn)剪切出現(xiàn)彈坑較多,主要是因?yàn)殂~球凸點(diǎn)鍵合壓力比較大的緣故。

圖7 銅球凸點(diǎn)剪切斷裂載荷

圖8 銅剪切失效模式與老化時(shí)間關(guān)系

圖9 彈坑數(shù)量與老化時(shí)間關(guān)系

3 結(jié)論

本文詳細(xì)論述了銅絲鍵合法制作銅球凸點(diǎn)的過程,并對銅球凸點(diǎn)金屬間化合物的形貌進(jìn)行了研究,同時(shí)對其剪切斷裂載荷和失效模式進(jìn)行了分析。

(1)在銅球凸點(diǎn)制作過程中,通過N2保護(hù)得到了較好的銅球凸點(diǎn)。

(2)銅球凸點(diǎn)的金屬間化合物生長速率比較慢,但不會出現(xiàn)kirkendall空洞。

(3)銅球凸點(diǎn)具有穩(wěn)定的剪切斷裂載荷,并且在老化一定時(shí)間內(nèi)銅球凸點(diǎn)表現(xiàn)出更好的力學(xué)性能。

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