銦凸點對倒裝互連影響的研究

楊超偉，閆常善，王瓊芳，李京輝，韓福忠，封遠(yuǎn)慶，楊畢春，左大凡，趙 麗，俞見云

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銦凸點對倒裝互連影響的研究

楊超偉1，閆常善2，王瓊芳1，李京輝1，韓福忠1，封遠(yuǎn)慶1，楊畢春1，左大凡1，趙 麗1，俞見云1

（1. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2. 中國人民解放軍駐298廠軍代室，云南 昆明 650114）

制作了2種形式的銦凸點：即直接蒸發(fā)沉積的銦柱和將銦柱回流得到的銦球。分別討論了銦柱和銦球?qū)Φ寡b互連的影響，著重討論了銦球和銦柱分別和芯片倒裝互連后的剪切強度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在互連未回流的狀態(tài)下銦球的剪切強度是銦柱的1.5倍，回流后銦球的剪切強度是銦柱的2.8倍。此外，分析討論了長時間放置在空氣中的銦球?qū)Φ寡b互連的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)長時間放置在空氣中的銦球和芯片互連后，器件的電學(xué)與機(jī)械連通性能會受到很大的影響。

銦凸點；銦柱；銦球；倒裝互連

0 引言

目前，紅外焦平面探測器已經(jīng)大量應(yīng)用于軍事、工業(yè)、環(huán)境、醫(yī)學(xué)等方面[1-4]，并且隨著科技的進(jìn)步，人們對大面陣探測器的需求正在不斷增加[5]。然而，伴隨著像元數(shù)目的增加，焦平面和讀出電路的設(shè)計及互連的難度也在不斷增大。傳統(tǒng)金絲引線鍵合技術(shù)暴露出明顯的缺點，例如：互連電阻高、電路過長、封裝尺寸大及互連密度低等缺點。倒裝互連技術(shù)[6]不僅能很好克服上述的缺點，而且其成本低廉，因此得到廣泛的應(yīng)用。

作為紅外焦平面探測器的一種重要的材料，金屬銦具有一些特殊的物理特性，例如：在液氦溫區(qū)下，具有良好的延展性；常溫下具有很好的柔軟性，很容易實現(xiàn)鍵合。具有良好的機(jī)械和電氣互連特性，特別適用于紅外探測器低溫工作要求。因此，對于紅外探測器的倒裝互連來說，銦凸點是至關(guān)重要的。

本文制作了2種形式的銦凸點：即直接蒸發(fā)沉積的銦柱和將銦柱回流得到的銦球。分別討論了銦柱和銦球?qū)Φ寡b互連的影響，著重分析對比了銦球和銦柱分別和芯片倒裝互連后的剪切強度。此外，分析討論了長時間放置在空氣中的銦球?qū)Φ寡b互連的影響。

1 實驗

1.1 樣品的制備

銦柱和銦球的制備過程如圖1所示，依次為：光刻UBM孔，UBM沉積，光刻銦柱孔及熱蒸發(fā)沉積銦，剝離得到銦柱，銦柱濕法回流成球[7]。

圖1 銦球制備流程圖

采用SET公司的FC150倒裝焊機(jī)對芯片和銦凸點電路進(jìn)行互連，互連后的樣品利用回流爐進(jìn)行了回流。此外，本文所涉及倒裝互連均為單邊混成技術(shù)，即芯片一側(cè)沒有銦，芯片上的金屬電極為金屬Au。

1.2 樣品的形貌分析

采用日本的Olympus金相顯微鏡對樣品進(jìn)行了形貌分析。

1.3 樣品的剪切強度的測試

采用Dage4000拉力測試儀對互連后的樣品進(jìn)行剪切強度的測試。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 銦柱與銦球?qū)Φ寡b互連的影響

圖2所示的是銦柱與銦球的形貌圖。圖2(a)所示的是銦柱形貌圖，從圖中可以看到銦柱形狀不規(guī)整，表面粗糙，凹凸不平。圖2(b)和圖2(c)所示的是不同放大倍數(shù)下的銦球形貌圖，從圖中可以看到銦球大小均一，表面清潔，光滑。

圖2 銦柱與銦球的形貌圖

銦球相比銦柱來說，對倒裝互連的好處在于：1）由光刻直接形成的銦柱，不僅形狀不規(guī)整，表面粗糙，凹凸不平，而且高度也會參差不齊。銦柱回流縮球后基本形成了一個個的球形，高低不同的銦柱縮為球形后，高度差變小，更利于互連焊接；2）由于在互連焊接工藝中，焊接銦柱時需要一定的壓力，在探測器上可能造成機(jī)械損傷，所以在完成焊接任務(wù)的前提下，應(yīng)盡量減小壓力。球形的幾何形狀在焊接開始時接觸面較小，并且回流縮球后表面更為清潔，銦更軟，使用較小壓力便可完成焊接；3）銦球相比銦柱的高度要高，銦凸點高度增加的作用在于：①銦凸點在受到熱沖擊時的抗疲勞壽命和銦凸點的高度成正相關(guān)，即銦凸點的高度越高其抗擊熱沖擊的壽命就越長[8]；②有助于減小對焊接中調(diào)平的要求；③提高銦柱的高度可以為芯片和讀出電路互連后提供足夠的間隙，從而有利于點膠時膠的流動，進(jìn)而實現(xiàn)良好的灌膠封裝。

此外，更為重要的是，銦球相比銦柱來說，倒裝互連后銦球的剪切強度要高于銦柱的剪切強度，這樣有助于增強器件的可靠性，下面就這種情況進(jìn)行分析討論。

表1所示的是銦柱和銦球分別和芯片互連后未回流的剪切強度。從表1中可以看到銦球的平均剪切強度是銦柱的1.5倍，銦球剪切強度的增強的原因[9]可以歸結(jié)為銦球的晶粒取向的各向異性，而銦柱則表現(xiàn)為一定的擇優(yōu)取向。此外，我們還研究了銦柱和銦球分別和芯片互連后進(jìn)行回流的情況，下面就這種情況進(jìn)行分析和討論。

表1 銦柱和銦球分別和芯片互連后未回流的剪切強度

圖3(a)所示的未互連的芯片表面形貌圖。圖3(b)所示的是銦球和芯片互連分開后，芯片的表面形貌圖，從圖3(b)中可以看到芯片的接觸壓點上布滿了銦的痕跡，而且銦層較厚，并且大部分的斷面都不是接觸壓點處，也不是銦焊點的UBM處，而是銦焊點的內(nèi)部，這說明焊接銦球焊點與芯片接觸壓點之間有較好的浸潤性，這樣就能夠保證讀出電路與芯片之間有較強的機(jī)械強度[10]。圖3(c)所示的是銦柱和芯片互連后，芯片的表面形貌圖，從圖3(c)中可以看到芯片的接觸壓點上布滿了銦的痕跡，但是和圖3(b)中的銦層相比較薄。這也就表明銦柱焊點與芯片接觸壓點之間浸潤性不太好，斷面有可能發(fā)生在銦焊點的表面，銦柱和芯片之間互連的機(jī)械強度較弱。下面就銦柱和銦球互連回流后器件的剪切強度進(jìn)行分析討論。

表2所示的是銦柱和銦球分別和芯片互連回流后的剪切強度，從表2中可以看到銦球的平均剪切強度是銦柱的2.8倍，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，正如前面討論的銦球和芯片接觸壓點有較好的浸潤性，而銦柱和芯片接觸壓點之間的浸潤性較差。對于銦球來說，由于在縮球的過程中能夠很好除去銦表面的氧化物，因此，在互連后回流的過程中，溫度在銦的熔點的附近時，芯片接觸壓點上的Au和In會生成金屬間化合物[11-12]，這樣就能夠保證銦凸點讀出電路與芯片互連的電學(xué)與機(jī)械連通性能[10,12-14]。但是，通常銦柱表面會有一層氧化層[15]，由于氧化層的存在阻擋了Au和In的浸潤反應(yīng)[14]，最終導(dǎo)致銦柱和芯片之間互連的機(jī)械強度比較弱。

2.2 長時間放置在空氣中的銦球?qū)Φ寡b互連的影響

圖4(a)所示的是未進(jìn)行互連的芯片的表面形貌圖，圖4(b)所示的是正常銦球（回流縮球后未長時間放置的銦球）和芯片互連回流后分開的芯片表面的形貌圖。從圖4(b)中可以看到芯片的接觸壓點上布滿了銦的痕跡，而且銦層較厚，并且大部分的斷面都不是接觸壓點處，也不是銦焊點的UBM處，而是銦焊點的內(nèi)部，這說明銦球焊點與接觸壓點之間有較好的浸潤性。正如前面所討論的，在回流的過程中，芯片接觸壓點上的Au和In會生成金屬間化合物，這樣就能夠保證銦凸點讀出電路與芯片互連的電學(xué)與機(jī)械連通性能。

圖3 芯片表面形貌圖

表2 銦柱和銦球分別和芯片互連回流后的剪切強度

圖4 芯片表面形貌圖

圖5所示的是未進(jìn)行互連的芯片的表面形貌圖，以及在空氣中放置5個月的銦球和芯片互連回流后分開的芯片表面的形貌圖。從圖5(b)中可以看到芯片的接觸壓點上布滿了銦的痕跡，但是和圖4(b)中的銦層相比較薄。這也就表明銦球焊點與芯片接觸壓點之間浸潤性不太好，斷面有可能發(fā)生在銦焊點的表面，銦凸點和芯片之間互連的機(jī)械強度比較弱。下面就上述兩種情況下的銦球分別和芯片互連回流后的剪切強度進(jìn)行分析和討論。

表3所示的是正常銦球和在空氣中放置5月后的銦球分別和芯片互連回流后的剪切強度的大小。從表3中可以看到正常銦球的平均剪切強度是在空氣中放置5個月后的銦球的2.4倍。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于銦球長時間暴露在空氣中導(dǎo)致銦球表面形成了一層氧化層，由于氧化層的存在阻擋了銦球和芯片接觸壓點之間的浸潤作用。

此外，有些接觸壓點上沒有出現(xiàn)銦的痕跡，如圖5(c)和圖5(d)所示。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是有些銦球表面的氧化層較厚，嚴(yán)重影響銦球和芯片接觸壓點的浸潤作用，即氧化層的存在阻擋了In和Au的浸潤反應(yīng)作用[14]，最終造成In和Au無法實現(xiàn)鍵合作用，因此就導(dǎo)致了如圖5(c)和圖5(d)中所示的情況，芯片上有些接觸壓點上沒有出現(xiàn)銦的痕跡，也就是說Au和In根本沒有實現(xiàn)浸潤鍵合作用，這樣就直接導(dǎo)致銦球和芯片無法實現(xiàn)電學(xué)連通，最終導(dǎo)致器件盲元的產(chǎn)生，嚴(yán)重影響器件的性能[15]。

3 結(jié)論

本文討論了銦球和銦柱對倒裝互連的影響，結(jié)果表明銦球相比銦柱來說，不僅有助于倒裝互連，而且可以大大提高互連后器件的可靠性。此外，分析討論了長時間放置在空氣中的銦球?qū)Φ寡b互連的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)長時間放置在空氣中的銦球和芯片互連后，器件的電學(xué)與機(jī)械連通性能會受到很大的影響，最終導(dǎo)致器件可靠性極大降低和器件盲元的產(chǎn)生。

圖5 芯片表面形貌圖。(a) 未進(jìn)行互連的芯片的表面形貌圖；(b)，(c) 和(d)在空氣中放置5個月的銦球和芯片互連回流后分開的芯片表面的形貌圖

表3 正常銦球和在空氣中放置5月后的銦球分別和芯片互連后的剪切強度

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Dissecting the Influence of Indium Bumps for Flip-chip

YANG Chaowei1，YAN Changshan2，WANG Qiongfang1，LI Jinghui1，HAN Fuzhong1，F(xiàn)ENG Yuanqing1，YANG Bichun1，ZUO Dafan1，ZHAO Li1，YU Jianyun1

(1.,650223,;2.298,650114,)

Two types of indium bumps have been fabricated: indium columns fabricated by direct evaporation and indium balls after reflowing indium columns.The impacts of indium columns and indium balls on flip-chip were discussed, and in particular the shear strength of indium columns and indium spheres was tested after flip-chip. Results reveal that the shear strength of indium spheres is 1.5 times higher than that of the indium columns without reflowing after flip-chip, and 2.8 times higher than that of the indium columns with reflow after flip-chip, respectively. In addition,the effects resulted from indium spheres which were exposed in the air for a long time for flip-chip were dissected. Results unravel that the indium spheres have negative influences on the electrical and mechanical connectivity of devices after flip-chip.

indium bump，indium column，indium ball，flip-chip

TN215

A

1001-8891(2016)04-0310-05

2016-01-21；

2016-03-15.

楊超偉（1988-），男，碩士，研究方向為電子器件封裝。E-mail：ycw20xx@163.com。