Cu-Sn-Cu互連微凸點(diǎn)熱壓鍵合研究

張瀟睿

（中國民用航空飛行學(xué)院航空工程學(xué)院，四川廣漢 618307)

1 引言

在微電子封裝領(lǐng)域中，互連技術(shù)是其中的核心步驟，包括外引線互連和內(nèi)引線互連[1]，芯片互連技術(shù)直接影響封裝成品的生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本以及其可靠性。在實(shí)際生產(chǎn)中，由互連技術(shù)所帶來封裝器件的失效占比達(dá)到25%～33%[2]。芯片互連技術(shù)包括引線鍵合、載帶自動(dòng)焊以及倒裝焊；隨著微電子封裝朝著更小尺寸、更高集成度和更優(yōu)異性能方向的發(fā)展，基于硅通孔技術(shù)的三維集成封裝出現(xiàn)在封裝行業(yè)中。而在目前的實(shí)際生產(chǎn)中，市場占比最多、應(yīng)用最為廣泛的當(dāng)屬倒裝芯片鍵合技術(shù)[3]。

倒裝鍵合是一種在芯片和基底之間采用微凸點(diǎn)進(jìn)行互連的小型化、高集成密度的封裝技術(shù)[4]。相對于傳統(tǒng)的引線鍵合技術(shù)，倒裝鍵合互連路徑更短，綜合性能更高[5-6]。倒裝鍵合焊接面積與芯片面積大小一致，其封裝密度很高，實(shí)際生產(chǎn)中基本達(dá)到了75%以上，具有良好的電氣性能、更強(qiáng)的信號分配能力以及更低的能耗，更加適合于高頻、高速的電子產(chǎn)品應(yīng)用[7-9]。

倒裝芯片的互連方式主要有3類，包括熱超聲、回流焊和熱壓。熱壓鍵合方式需要對準(zhǔn)時(shí)有良好的精度，針對不一樣的凸點(diǎn)尺寸、凸點(diǎn)材料，需要選用對應(yīng)的溫度、鍵合壓力及鍵合時(shí)間。隨著微銅柱凸點(diǎn)逐漸成為倒裝芯片封裝的主流[10]，熱壓鍵合技術(shù)也日益成熟，成為工業(yè)生產(chǎn)和學(xué)術(shù)研究中的重點(diǎn)問題。

2 Cu-Sn-Cu微凸點(diǎn)倒裝芯片及鍵合平臺

隨著倒裝芯片的尺寸日益減小，凸點(diǎn)尺寸、間距也隨之減小，針對一款Cu-Sn-Cu互連微凸點(diǎn)倒裝芯片進(jìn)行鍵合，該芯片凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 芯片凸點(diǎn)設(shè)計(jì)圖

芯片凸點(diǎn)為微銅柱凸點(diǎn)，上芯片和基底芯片銅柱直徑100μm，上芯片銅柱高度45μm，基底芯片銅柱高度15μm，上芯片銅柱上生長一個(gè)直徑為100μm的Sn帽。芯片實(shí)物如圖2所示。

圖2 芯片實(shí)物

鍵合平臺采用日本Athlete公司的CB-600低荷重半自動(dòng)倒裝鍵合機(jī)，該鍵合平臺可以實(shí)現(xiàn)熱壓鍵合和熱超聲鍵合，兩種鍵合方式的轉(zhuǎn)換通過更換鍵合頭和鍵合菜單完成，本文實(shí)驗(yàn)選用熱壓鍵合方式。芯片鍵合流程如圖3所示。

圖3 芯片鍵合流程

3 不同鍵合條件下的鍵合特性

影響熱壓鍵合結(jié)果的參數(shù)主要有3個(gè)：鍵合力、鍵合時(shí)間以及鍵合溫度。不同尺寸和材料的凸點(diǎn)所需要的鍵合參數(shù)并不相同，通過鍵合機(jī)對鍵合參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，找到最佳的鍵合參數(shù)以提高芯片鍵合質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)用芯片每塊共54個(gè)微凸點(diǎn)，以每個(gè)微凸點(diǎn)0.01 N計(jì)算，鍵合力分別設(shè)定為0.54 N、1.08 N、2.16 N、3.24 N和4.32 N；Sn的熔點(diǎn)為232℃，鍵合溫度初步設(shè)定為240℃；鍵合時(shí)間分別設(shè)定為5 s、10 s、20 s、30 s。通過初步試驗(yàn)，根據(jù)鍵合后互連結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定、通路是否導(dǎo)通，選擇合適的鍵合參數(shù)。

當(dāng)鍵合溫度為240℃時(shí)，各鍵合參數(shù)下均無法形成穩(wěn)定互連的樣品；經(jīng)測量，這是由于鍵合頭通過陶瓷冶具鍵合時(shí)，鍵合部位溫度相較于鍵合頭設(shè)定溫度會(huì)有80℃左右的下降，并且考慮到一系列的傳熱損耗，將鍵合溫度選定為340℃。在340℃條件下，當(dāng)鍵合力為0.54 N時(shí)，在各鍵合條件下均無法形成穩(wěn)定的互連結(jié)構(gòu)，上芯片和基底芯片直接分離；當(dāng)鍵合力為1.08 N時(shí)，部分樣品直接分離，部分未分離樣品經(jīng)測試，通路均無法導(dǎo)通；當(dāng)鍵合力達(dá)到2.16 N時(shí)能形成基本穩(wěn)定并且通路導(dǎo)通的互連結(jié)構(gòu)。

在鍵合時(shí)間為30 s和鍵合溫度為340℃的條件下，分別采用不同的鍵合力得到了3個(gè)樣品，鍵合樣品所有通路均導(dǎo)通，且每條通路電阻均處于正常范圍。對樣品封樣、研磨后觀察其凸點(diǎn)截面，3種不同鍵合力下樣品截面形貌如圖4所示。

從圖4可以看到，當(dāng)鍵合力為2.16 N和3.24 N時(shí)，鍵合界面處存在較清晰的縫隙，Sn帽局部與基底芯片銅柱接觸形成通路，但該情況下互連結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定。當(dāng)鍵合力達(dá)到4.32 N時(shí)，可以明顯看到Cu/Sn界面處結(jié)合緊密，Sn帽微微向兩側(cè)溢出，鍵合效果良好。當(dāng)鍵合力繼續(xù)提高到4.86 N時(shí)，微凸點(diǎn)截面如圖5所示。

圖4 不同鍵合力樣品凸點(diǎn)截面

圖5 鍵合力4.86 N時(shí)凸點(diǎn)截面

可以看到當(dāng)鍵合力達(dá)到4.86 N時(shí)，Sn層被壓縮到很薄，而當(dāng)芯片在工作中承受較大電流密度負(fù)載時(shí)，過薄的Sn層更容易在電遷移作用下出現(xiàn)缺陷，從而導(dǎo)致產(chǎn)品失效風(fēng)險(xiǎn)提高。因此過高的鍵合力反而會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品可靠性降低。

當(dāng)鍵合參數(shù)為4.32 N和340℃時(shí)，在不同的鍵合時(shí)間下進(jìn)行鍵合。利用帶數(shù)據(jù)采集功能的恒壓電源，對鍵合過程中芯片其中一條通路進(jìn)行電特性變化的記錄，觀察不同鍵合時(shí)間對芯片電特性的影響。設(shè)定輸出電壓為0.1 V，不同鍵合時(shí)間下芯片通路電特性變化曲線如圖6所示。

圖6 不同鍵合時(shí)間下芯片通路電特性變化曲線

從圖6中可以看到，不同鍵合時(shí)間下，鍵合過程中通路的電阻變化過程是一致的，整個(gè)鍵合過程一共經(jīng)歷了3次臺階式的下降，圖中第一個(gè)平緩段是鍵合開始并保持在鍵合溫度340℃的階段；曲線下降到第二個(gè)平緩段是由于鍵合溫度開始逐步下降；當(dāng)鍵合溫度下降至100℃，鍵合頭離開芯片，此時(shí)芯片溫度降低，造成曲線下降至第三個(gè)平緩段。測得最終電阻為1Ω，樣品恢復(fù)室溫后電阻降至0.6Ω左右。

對以上4種不同鍵合時(shí)間下的樣品封樣進(jìn)行研磨，其截面形貌如圖7所示。

圖7 不同鍵合時(shí)間下凸點(diǎn)截面形貌

從圖7可以看到，當(dāng)鍵合時(shí)間分別為5 s、10 s、20 s時(shí)，Cu/Sn鍵合界面處存在縫隙，接觸不完全，鍵合界面質(zhì)量較差。當(dāng)鍵合時(shí)間為30 s時(shí)，Cu/Sn鍵合界面處結(jié)合相當(dāng)緊密，鍵合質(zhì)量良好。

針對該款芯片，鍵合質(zhì)量較好的參數(shù)為鍵合力4.32 N、鍵合溫度340℃、鍵合時(shí)間30 s。該鍵合條件下，鍵合過程數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 鍵合過程數(shù)據(jù)

圖8展示了鍵合過程中鍵合力以及鍵合溫度的加載方式，整個(gè)鍵合過程鍵合力大小保證在4.32 N，溫度保證在340℃。鍵合頭的位移表明了Sn帽在鍵合過程中變形，與基底芯片銅柱形成穩(wěn)定的互連結(jié)構(gòu)。

4 鍵合強(qiáng)度分析

對不同鍵合條件下的樣品利用拉剪力測試機(jī)進(jìn)行剪切測試，抗剪切力的大小表示其鍵合強(qiáng)度。針對3組不同鍵合力2.16 N、3.24 N、4.32 N，每組選取5個(gè)樣品進(jìn)行測試，測試剪切速度均設(shè)置為500μm/s。不同鍵合力條件下芯片的抗剪切力曲線如圖9所示。芯片最大抗剪切力曲線如圖10所示。

從圖9可以看到，在340℃、30 s的鍵合條件下，當(dāng)鍵合力為2.16 N時(shí)，芯片最大抗剪切力大小為500 g左右；當(dāng)鍵合力為3.24 N時(shí)，芯片最大抗剪切力大小為700 g左右；當(dāng)鍵合力為4.32 N時(shí)，芯片最大抗剪切力大小為1000 g左右。從圖10可以看到隨著鍵合力的增加，芯片抗剪切力隨之增加。通過抗剪切力大小的定量比較，充分說明不同的鍵合參數(shù)對于芯片的鍵合質(zhì)量有著顯著影響。

圖9 不同鍵合力條件下芯片的抗剪切力曲線

圖10 不同鍵合力條件下鍵合樣品最大抗剪切力曲線

5 結(jié)論

文章針對一款Cu-Sn-Cu倒裝芯片，在不同參數(shù)條件下完成了熱壓鍵合，通過封樣研磨后的凸點(diǎn)截面形貌、鍵合過程通路電阻變化，比較了不同鍵合條件下芯片樣品的鍵合質(zhì)量，并通過拉剪力測試比較了不同鍵合參數(shù)下芯片樣品的可靠性，確定了該款芯片的最佳鍵合參數(shù)。同時(shí)也證明了在一定范圍內(nèi)，隨著鍵合力和鍵合時(shí)間的增加，芯片鍵合質(zhì)量逐漸變好，抗剪切力也隨之增加。