同時(shí)，為了確保良好的工藝控制，必須對(duì)凸點(diǎn)制備中的晶圓實(shí)施自動(dòng)檢測(cè)。最新的研究顯示對(duì)凸點(diǎn)實(shí)施非100％的測(cè)試也能滿足對(duì)凸點(diǎn)質(zhì)量進(jìn)行控制的要求，這樣還能減少檢測(cè)時(shí)間。SnAgCu凸點(diǎn)的光學(xué)檢測(cè)由于其粗糙表面（與以前的SnPb焊膏的光亮表面相比）的影響實(shí)，施起來不太容易，所以，這一步顯得更加關(guān)鍵，需要更加小心。拋開某些特例，成本核算表明，在FCOB的大批量生產(chǎn)中，用SnAgCu00.5替代SnPb的話，凸點(diǎn)制備工藝的成本可以達(dá)到低于每晶圓50美金。

 

    迄今為止，倒裝芯片凸點(diǎn)技術(shù)仍然是技術(shù)的亮點(diǎn)。小間距芯片級(jí)封裝（>0.5mm間距）的出現(xiàn)，使得使用鏤板印刷方法，可能替代固體植球方法。

 

 

    世界正在邁向無鉛電子時(shí)代，汽車電子也對(duì)高熔點(diǎn)焊料提出了需求，這一切推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)對(duì)于新的焊料系統(tǒng)的選擇。對(duì)于新焊料系統(tǒng)，關(guān)鍵之一就是可靠性。SnAgCu與SnPb37相比，二者的疲勞壽命和失效機(jī)制基本相同，實(shí)際應(yīng)用中，受熱歷程和焊點(diǎn)形狀決定疲勞壽命。研究等證明對(duì)于無電鍍鎳UBM，SnPb37和Sn95.5Ag3.8Cu0.7焊膏具有極佳的剪切性能。而且，底部填充料——PCB薄板上的倒裝芯片都需要它來保證可靠性——能減少焊點(diǎn)的大部分應(yīng)力，因而也就延長(zhǎng)了它的壽命。

 

    倒裝芯片通常要使用兩次回流焊工藝，一次是在晶圓上球點(diǎn)的形成時(shí)，另一次是在組裝的時(shí)候。Ni3Sn4是無電鍍鎳UBM上的SnPb焊料以及SnAgCu焊料形成的金屬互化物。經(jīng)過兩次回焊，金屬化后，Sn95.5Ag3.8Cu0.7的形態(tài)基本正常而且厚實(shí)。在較高的溫度下倒裝芯片的老化顯得十分關(guān)鍵。150和170℃時(shí)老化1000個(gè)小時(shí)，SnPb及無鉛合金會(huì)隨著鎳的消耗，轉(zhuǎn)化成小于2mm的Ni3Sn4。對(duì)于Sn95.5Ag3.8Cu0.7，其鎳的耗散厚度大約是SnPb的兩倍。同樣的，對(duì)于Sn95.5Ag3.8Cu0.7，在170℃而不是150℃時(shí)老化，鎳的厚度消耗會(huì)增加4倍。

 

    在150℃環(huán)境里保存2000小時(shí)后，對(duì)焊接凸點(diǎn)的剪切力測(cè)試的結(jié)果表明，Sn95.5Ag4Cu0.5的剪切力大于SnPb37。而且，對(duì)于Sn95.5Ag4Cu0.5，經(jīng)過高溫高濕（85℃和85%RH）保存，以及溫度循環(huán)（-40到150℃，1000cycles）之后，剪切力測(cè)試結(jié)果表明其可靠性比SnPb37稍好。對(duì)-40到125℃溫度循環(huán)后的倒裝芯片封裝進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示Sn95.5Ag3.8Cu0.7的效果要好于SnPb37。但是Sn95.5Ag4Cu0.5的可靠性不如常規(guī)的SnPb37（循環(huán)溫度-55到125℃，及-55到150℃）。上述兩種情形，填充底料的選擇，熔化物殘留的多少，以及實(shí)際結(jié)合高度將決定哪一種連接方式更好。這表明合金的選擇對(duì)于產(chǎn)品的可靠性僅僅是第二號(hào)的因素。在150℃的環(huán)境下，現(xiàn)在流行采用含錫焊料。而在更高的溫度環(huán)境下，共晶的金錫（Au80Sn20）焊料或充銀焊料能支持到200℃。

 

    CSP的連接通常不使用任何填充底料，人們希望無鉛焊料的較大的機(jī)械彈力能夠有效提高其器件的壽命。然而，必須注意的是，失效模式可能在厚的金相處由疲勞開裂轉(zhuǎn)為碎裂，或者金屬焊點(diǎn)會(huì)從底材分離，因?yàn)槿彳浀腟nPb的蔓延導(dǎo)致固體凸點(diǎn)中產(chǎn)生的應(yīng)力無法得到釋放，只能通過彈性無鉛焊料傳遞到表面。

 

 

    晶圓凸點(diǎn)制備需要的是6型焊膏，它能確保焊膏均勻，因而減小回流焊后凸點(diǎn)高度的改變。與PCB板上傳統(tǒng)的SMT焊錫膏印刷相比，超細(xì)間隙焊膏的細(xì)小焊點(diǎn)，需要焊膏具有更高的粘性，對(duì)印刷性能、以及焊膏與模板的脫離有較大影響。增大的面積和體積比意味著焊料合金的氧化性增大，因而焊膏中氧化物含量較高，所以回流焊工藝需要氮?dú)獗Ｗo(hù)。相同的技術(shù)適用于SnPb37焊膏，也同樣適用于三元或四元小間距焊膏。
 

 

 

    鏤板印刷的適用間距極限是150-200mm。對(duì)于間距小，凸點(diǎn)尺寸范圍寬的高互連密度的情形，電鍍技術(shù)是首選。FraunhoferIZM采用了間距小于40mm的電鍍工藝。國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖研討會(huì)（ITRS）預(yù)測(cè)，隨著倒裝芯片技術(shù)的發(fā)展，其凸點(diǎn)間距將呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，對(duì)于高I/O芯片和高能芯片，減小的趨勢(shì)是，從2002年的160mm減小到2010年的90mm，2016年更減小到70mm。

 

    電鍍時(shí)，凸點(diǎn)高度的均勻性要求在±1mm之內(nèi)，這大大超過了鏤板印刷的均勻性指標(biāo)。這是由于模板材料厚度和激光切割的精度變化較大，而且在模板的開口處會(huì)有少量焊膏殘留，其典型的變化范圍在±7mm。

 

    電鍍的成品率損失在ppm量級(jí)甚至更低。按照失效標(biāo)準(zhǔn)的定義，從凸點(diǎn)高度均勻性的角度來看，電鍍比鏤板印刷的損失要小。因此，對(duì)于高產(chǎn)量，大尺寸IC來說，電鍍是一項(xiàng)低成本技術(shù)，而成品率的損失使得鏤板印刷失去了可比性。

 

    電鍍時(shí)UBM要鍍上Ti/W/Cu，它們被均勻?yàn)R射在整個(gè)晶圓表面上，其后進(jìn)行光刻，形成凸點(diǎn)焊點(diǎn)。鍍上的附加層銅，會(huì)被回流焊和金屬化合物熱應(yīng)力部分地消耗掉。焊料金屬是以電化學(xué)的形式——基于甲基硫酸的方式——進(jìn)行淀積。電鍍加工時(shí)間的長(zhǎng)短取決于凸點(diǎn)的高度——與焊膏樓板印刷正好相反——即電鍍時(shí)間受限于較小凸點(diǎn)的高度。電鍍膜脫膜之后，以刻蝕方法去掉Ti/W/CuUBM。將晶圓上的淀積焊料回流，形成球形凸點(diǎn)，然后進(jìn)行清洗，去掉有機(jī)殘留物。在FraunhoferIZM，人們完成了數(shù)種無鉛焊料的電鍍，并進(jìn)行了深入觀察。SnPb焊膏的最佳替代是SnAg，因?yàn)樗心承┨厥馓匦浴ｃy的電極勢(shì)差較高，因而比起錫來更容易淀積。所以，需要對(duì)銀離子添加超強(qiáng)配位劑以抑制銀的過早淀積。

 

    然而，Sn-Pb的二元相圖表明，焊料成分的小的差異并不會(huì)給熔點(diǎn)造成多大影響。而對(duì)于SnAg，影響卻十分明顯。含銀3.5%的共晶中增加一點(diǎn)點(diǎn)銀的話，熔點(diǎn)就會(huì)極大地升高。此外，F(xiàn)raunhoferIZM的研究還表明，對(duì)含銀4％時(shí)，大塊狀的Ag3Sn金屬化合物的生長(zhǎng)更快，給互連的可靠性帶來嚴(yán)重?fù)p害。對(duì)于共晶SnAg3.5電鍍，電鍍池和合金成分的控制，顯得及其重要。三元合金的電鍍加工更加困難，甚至不予考慮。另一方面，由于UBM的銅電鍍層會(huì)部分溶解于SnAg，因此回流焊凸點(diǎn)總會(huì)包含SnAgCu合金，而且會(huì)受到回流焊溫度的影響。與SnPb相比，使用SnAg時(shí)銅電鍍基材的消耗更多。因此，提供的電鍍銅必需有一定的厚度。如果再考慮到加工成本的話，SnPb電鍍和SnAg電鍍沒有本質(zhì)的差別。

 

    總之，鏤板印刷的實(shí)現(xiàn)和電鍍晶圓凸點(diǎn)的制備代表了先進(jìn)互連技術(shù)無鉛化的現(xiàn)狀，也證明了無鉛化技術(shù)是切實(shí)可行的。

責(zé)任編輯：李玲珊

《中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)電子期刊》征訂啟事
投稿聯(lián)系：編輯部
電話：010-82387968
郵箱：ecorr_org@163.com
中國(guó)腐蝕與防護(hù)網(wǎng)官方 QQ群：140808414