用于倒裝芯片的銅球凸點制作技術研究＊

于金偉,游風勇

(濰坊學院,山東 濰坊 261061;濰坊市留學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端數的增加以及功能多樣化的發展,傳統的封裝技術已不能滿足高密度的要求,倒裝芯片封裝技術正在逐步取代引線鍵合的位置。所謂倒裝芯片技術,是指半導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結構和一般制作在基板上的焊接材料相互作用來實現。從圖1和圖2可以看出,這種技術避免了多余的工藝步驟,與傳統引線鍵合互連技術相比具有明顯的優勢。

(1)尺寸小、薄,重量更輕。

(2)密度更高,使用倒裝焊技術能增加單位面積內的I/O數量。

(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行有效的冷卻,使電路的可靠性得到提高。

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

圖1 傳統引線鍵合互聯技術

圖2 倒裝凸點互連技術

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

(1)價格優勢

引線鍵合中使用的各種規格的銅絲,其成本只有金絲的1/3-1/10。

(2)電學性能和熱學性能

銅的電導率為0.62(μΩ/cm)-1,比金的電導率0.42(μΩ/cm)-1大,同時銅的熱導率也高于金,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構及界面氧化過程研究較多,其中最讓人們關心的是“紫斑”(AuA l2)和“白斑”(Au2A l)問題,并且因Au和A l兩種元素的擴散速率不同,導致界面處形成柯肯德爾孔洞以及裂紋。降低了焊點力學性能和電學性能[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,銅球凸點的可靠性要高于金球凸點。1992年8月,美國國家半導體公司開始將銅絲球焊技術正式運用在實際生產中去,但目前銅球凸點運用的依然很少,主要是因為銅球凸點技術面臨著一些難點:①銅容易被氧化,鍵合工藝不穩定;②銅的硬度、屈服強度等物理參數高于金。鍵合時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,實現了Cu引線鍵合到A l-1%Si-0.5%Cu金屬化焊盤,考察了銅球凸點在200℃老化過程中的界面組織演變情況,銅球凸點力學性能變化規律,銅球凸點剪切失效模式,分析了銅球凸點不同失效模式產生的原因及其和力學性能的相關關系。

1 試驗方法及材料

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

圖3 銅球凸點的制作流程

首先,在毛細管的頂部形成焊球時,增加了一套防氧化保護裝置,為燒球過程和鍵合過程提供可靠的還原性氣體保護,即在一個懸空管內充入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。之后毛細管降低使焊球與芯片焊接區相接觸,此時在適當的溫度下對焊球加以適當的壓力和超聲能量,使之變形并與芯片焊接區金屬鍵合在一起,形成一個焊點。典型的引線鍵合工藝接下來將毛細管抬起后移動一段距離形成線弧,再在線弧的另一端形成第二焊點,并在第二焊點將銅線拉斷。而銅球凸點的制作則在形成第一個焊點后,將毛細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,還需要對銅球凸點進行二次“整平”。這步工序是用一種特殊的毛細管來完成的,通過毛細管在銅球凸點的頂部向下施加適當壓力,使凸點的尾狀物下陷,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。

圖4 銅球凸點鍵合過程示意圖

鍵合設備采用K&S公司生產的Nu-Tek絲球焊機,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實驗對鍵合參數(主要為超聲功率、鍵合時間、鍵合壓力和預熱溫度四個參數)進行了優化,同時把能量施加方式做了改進,采用兩階段能量施加方法進行鍵合,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,使其發生較大的塑性變形,形成銅球凸點的初步形貌;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),銅球凸點界面結合強度主要取決于第二階段,本文所采用的鍵合參數,如表2所示。

表1 銅絲性能

表2 銅球凸點鍵合參數

為加速銅球凸點界面組織演變,在200℃下采用恒溫老化爐進行老化實驗,老化時間分別為n2天(n= 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11)。為防止銅球凸點在老化過程中被氧化,需要在老化過程中進行氮氣保護。

銅球凸點的橫截面按照標準的制樣過程進行制備。由于銅球凸點的尺寸原因需要特別精心,首先采用樹脂進行密封,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。

剪切實驗是研究銅球凸點力學性能和失效模式的主要實驗方法,采用Royce 580測試儀對各種老化條件下的銅球凸點進行剪切實驗,記錄銅球凸點的剪切斷裂載荷,剪切實驗時,劈刀距離焊盤表面4μm,以5μm/s的速度沿水平方向推動銅球凸點,Olympus STM 6光學顯微鏡觀察記錄銅球凸點失效模式,對于每個老化條件,分別以48個銅球凸點用于剪切實驗,以滿足正態分布。

2 試驗結果與分析

2.1 銅球凸點金屬間化合物成長

銅絲球焊是在一定的溫度和壓力下,超聲作用很短時間內(一般為幾十毫秒)完成,而且鍵合溫度遠沒有達到金屬熔點,原子互擴散來不及進行,因此在鍵合剛結束時很難形成金屬間化合物,對銅球凸點進行200℃老化,銅球凸點生成金屬間化合物如圖5所示,在老化9天后沒有發現明顯的金屬間化合物,在老化16天時,發現了很薄的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,因此認為生成的Cu/A l相是金屬間化合物),圖6顯示老化121天時其厚度也不超過1μm,沒有出現kirkendall空洞。

圖5 銅球凸點老化后SEM照片

圖6 銅球凸點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、電負性、原子序數和結合能。

2.2 銅球凸點剪切斷裂載荷和失效模式

圖7顯示了銅球凸點剪切斷裂載荷老化時間的變化,可以看到,其剪切斷裂載荷在很長一段時間內隨老化時間增加而增加,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,同時可以發現,銅球凸點的剪切斷裂載荷較穩定,并且在未老化及老化一定時間內,銅球凸點的剪切斷裂載荷比較好,老化時間增長后,銅球凸點沒有出現空洞及裂紋,其電氣性能較好。

對于銅球凸點,剪切實驗共發現了完全剝離、銅球殘留、鋁層斷裂和彈坑共4種失效模式。圖8顯示了銅球凸點剪切失效模式隨老化時間的變化,由于銅球凸點200℃時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間內以完全剝離為主。彈坑隨老化進行逐漸增多,尤其老化81天后,應力型彈坑大量增加,導致剪切斷裂載荷下降,圖9所示為彈坑數量隨老化時間變化,需要說明的是彈坑包括應力型彈坑和剪切性彈坑,應力型彈坑為剪切實驗之前就已經存在的缺陷,而剪切型彈坑是由于接頭連接強度高,在剪切實驗過程中產生,因此只有應力型彈坑是導致剪切斷裂載荷下降的原因,銅球凸點剪切出現彈坑較多,主要是因為銅球凸點鍵合壓力比較大的緣故。

圖7 銅球凸點剪切斷裂載荷

圖8 銅剪切失效模式與老化時間關系

圖9 彈坑數量與老化時間關系

3 結論

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

(1)在銅球凸點制作過程中,通過N2保護得到了較好的銅球凸點。

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

(3)銅球凸點具有穩定的剪切斷裂載荷,并且在老化一定時間內銅球凸點表現出更好的力學性能。

[1]M urali S,Srikanth N,Charles J.An Analysisof Intermetallics Formation of Gold and Copper Ball Bond on Thermal Aging [J].Materials Research Bulletin,2003,38(4):637-646.

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[3]Kim H J,Lee J Y,Paik KW,et a l.Efects of Cu/A 1 Interm etallic Compound(IMC)on Copper Wire and A luminum Pad Bondabili[J].Transaction on Components and Packaging Techno logies,2003,26(2):367-374.