不同I/O 端數(shù)金凸點倒裝焊的預倒裝工藝研究

趙竟成，周德洪，鐘成，王曉衛(wèi)，何煒樂

（1.電子科技大學（深圳） 高等研究院，廣東深圳518028；2.深圳市振華微電子有限公司，廣東深圳518063）

1 引言

電子封裝需要芯片與基板、芯片與芯片之間建立電氣連接。傳統(tǒng)的連接方法為引線鍵合，但較長引線的寄生電容、電感大，所需空間大，很難滿足電子產品微型化、高性能化的發(fā)展需求。倒裝焊工藝可直接將芯片通過凸點焊接在基板上，具有連接電阻低、寄生電容和電感低以及可以進行高密度互連等優(yōu)勢，因而得到了廣泛的關注和應用。根據(jù)芯片大小和用途的不同，常用的I/O 端從幾個[1]、幾十個[2]至成百上千個[3-6]不等。例如，儲存器要求小型化和輕薄化，其I/O 端一般為300 個左右；邏輯器件要求高度集成化，其I/O 端為3 000～10 000 個。在傳統(tǒng)的倒裝焊中，常使用焊料凸點作為連接材料，其性能已經得到廣泛的研究[7]，適用于不同I/O 端數(shù)芯片的倒裝焊，但它也有一些局限性，例如，使用回流焊的方法形成焊料互連需要高達250 ℃的溫度，因此，很多對溫度敏感的芯片無法使用此方法進行倒裝焊。倒裝焊中也可以采用黏合劑在低溫情況下實現(xiàn)互連，但需要額外在凸點上涂敷黏合材料，該方案工藝復雜且成本高。采用金凸點熱壓超聲倒裝焊，在鍵合過程中利用超聲波為界面提供能量，可降低對壓力和溫度的要求，特別適用于易碎、對溫度敏感的芯片材料，如LED 的外延層[1]。同時，金凸點具有導電率好、導熱性好、綠色環(huán)保等優(yōu)勢[1,8]，因此受到了市場的關注和廣大學者的研究。

但是，金凸點倒裝焊由于I/O 端數(shù)的不同，工藝參數(shù)和工藝窗口都會發(fā)生變化[9-10]。KANG 等人[9]發(fā)現(xiàn)，對芯片進行倒裝焊時的超聲振幅較大時，原本在一個周期中已經形成的新鍵可能在下一個周期中被破壞，而過小的振幅則不能產生足夠的成鍵能量。除此之外，超聲能量在各個凸點的連接層的傳輸有所不同，存在不能完全焊好每一個凸點的風險?？琢钏蒣11]發(fā)現(xiàn)，陣列邊緣處凸點受到的等效鍵合壓力略大于中心區(qū)域凸點，并且邊緣處凸點的等效振動會逐漸偏離中心區(qū)域，換言之，在多凸點倒裝焊中每個凸點所受到的能量是不均勻的。引起能量不均勻的因素可能有基板和凸點的平面度、位置度、凸點共面性等。共面性表示凸點陣列中的凸點高度存在一定的差異。以用釘頭凸點法制備的金凸點為例，鍵合機的傳動誤差和尾絲的隨機斷裂會造成凸點與凸點間的高度存在差異，在熱壓超聲倒裝焊中，高度較高的凸點或凸點的尖端先接觸到基板焊盤，并將接觸壓力反饋至力傳感器，隨著芯片與基板的不斷壓合，較高的金凸點形變量增大。隨著接觸壓力的不斷增大，當總壓力增大到傳感器的設定值時，芯片與基板不再產生相對運動。若此時高度較低的金凸點還未接觸到基板焊盤，則施加超聲時金鋁之間無法焊合，會造成漏焊。同理，接觸壓力過高的區(qū)域會因為過度焊合而損傷焊盤甚至造成芯片破壞，接觸壓力過低的區(qū)域會出現(xiàn)欠焊合現(xiàn)象，金鋁擴散程度低。此差異隨著凸點數(shù)量的增加而愈發(fā)明顯，因此，多I/O 端數(shù)的金凸點倒裝焊存在一定困難和挑戰(zhàn)。

本文通過正交試驗法，研究I/O 端數(shù)分別為121個、225 個、361 個的三種芯片的金凸點倒裝焊最佳參數(shù)，以單位凸點上的最大平均剪切力作為衡量焊點質量的關鍵標準。試驗結果表明，隨著I/O 端數(shù)量的增加，達到單位凸點上最大平均剪切力時所需要的單位凸點平均壓力和平均超聲功率依次減小，單位凸點上的最大平均剪切力也依次減小。針對361 個I/O 端數(shù)的芯片，通過引入預倒裝的方法增強金凸點的平整性和高度一致性，可減少倒裝焊過程中能量的不均勻性。在完成具有361 個I/O 端數(shù)芯片的倒裝焊后，單位凸點上的最大平均剪切力達到了0.54 N，比未使用此方法時的最大平均剪切力（0.5 N）提高了8%，其工藝窗口也得到了拓寬。這一方法可為不同I/O 端數(shù)芯片的倒裝焊工藝提供借鑒。

2 試驗過程

2.1 金凸點的制備

本研究采用的芯片尺寸為5 mm×5 mm，其表面整面為鋁焊盤，采用釘頭凸點法，利用鍵合機植球模式在鋁焊盤表面植上金凸點陣列，所用金絲直徑為25 μm，植球完成后單個凸點的直徑約為80 μm。具有121 個、225 個、361 個I/O 端的芯片，對應的凸點陣列分別為11×11，15×15，19×19。

2.2 基板焊盤的制備

采用燒結而成的Al2O3陶瓷基板，通過濺射法依次在陶瓷基板上鍍厚度為0.1 mm 的Ti、厚度為2.5 mm的Cu、厚度為0.3 mm 的Ni、厚度為0.1 mm 的Au，形成TiCuNiAu 焊盤。焊盤的粗糙度小于1 μm。

2.3 倒裝焊過程

使用Athlete 公司的CB-600 半自動倒裝鍵合機，采用正交試驗法，對三種具有不同數(shù)量I/O 端的芯片，優(yōu)化單位凸點上的平均超聲功率和平均壓力，完成芯片的倒裝焊。將超聲時間控制為1 s，設置焊接參數(shù)如表1 所示。其中，不同數(shù)量的I/O 端均要考慮平均超聲功率和平均壓力兩種因素，每種因素共設置5 組參數(shù)，共進行25 組試驗。

2.4 剪切力測試

使用德瑞茵精密科技有限公司的MFM1200 推拉力試驗機對完成倒裝焊后的樣品進行剪切力測試。用夾具固定好基板（基板上有已經完成倒裝焊的芯片），推頭正對芯片的一邊，按下開始鍵后推頭開始測量基板高度，推頭觸碰基板后抬起，距離基板高度為80 μm，然后朝芯片緩慢移動，移動速度為3 mm/s，觸碰到芯片后對其施加剪切力，直至芯片剪切失效，記錄此時的剪切力數(shù)值。每組試驗對5 只樣品進行剪切力測試，測試完成后取5 只樣品的剪切力平均值作為此組參數(shù)的最終剪切力。

3 試驗分析與討論

各組試驗后的剪切力數(shù)值分別如表2～4 所示。三種芯片在倒裝焊后的剪切力測試中所獲得的最大單位凸點的平均剪切力值分別為0.62 N、0.56 N 和0.50 N，其所對應的參數(shù)組合分別為A3B3、C3D3和E3F3，從表1 可以看出，三種組合所對應的單位凸點上的平均超聲功率分別為0.042 W、0.040 W 和0.038 W，所對應的單位凸點上的平均壓力為0.86 N、0.84 N 和0.82 N。試驗結果表明，隨著I/O 端數(shù)的增加，倒裝焊后達到最大剪切力時所需要的單位凸點上的平均超聲功率和平均壓力逐漸減小，所能達到的最大剪切力也逐漸減小。

表2 具有121 個I/O 端的芯片倒裝焊后的剪切力數(shù)值

表3 具有225 個I/O 端的芯片倒裝焊后的剪切力數(shù)值

表4 具有361 個I/O 端的芯片倒裝焊后的剪切力數(shù)值

以標準差σ 來評價各組剪切力數(shù)據(jù)的分布情況，其計算式為

其中，xi為第i 個數(shù)據(jù)的值，μ 為整組數(shù)據(jù)的平均值，n為整組數(shù)據(jù)的樣本個數(shù)。

經計算得到，σ121=0.090 8，σ225=0.092 1，σ361=0.104 3，因此σ121＜σ225＜σ361，即在同樣的參數(shù)范圍內，具有121 個I/O 端的芯片倒裝焊后剪切力更加集中，具有225 個I/O 端的芯片倒裝焊后剪切力其次，具有361 個I/O 端的芯片倒裝焊后剪切力最分散，這說明I/O 端數(shù)量越少，在一定范圍內進行參數(shù)調整，其最終剪切力的變化幅度不會太大，工藝窗口更寬。三種I/O 端數(shù)、各25 種參數(shù)組合倒裝焊后所獲得的剪切力分布情況如圖1 所示?？梢钥吹?，具有121 個I/O 端的芯片單位凸點上的剪切力的分布值為0.32～0.62 N，平均值為0.47 N；具有225 個I/O 端的芯片單位凸點上的剪切力分布值為0.2～0.56 N，平均值為0.39 N；具有361 個I/O 端的芯片單位凸點上的剪切力分布值為0.12～0.5 N，平均值為0.29 N。因此，隨著I/O 端數(shù)的增加，凸點的最大剪切力和平均剪切力都會減小，工藝窗口會縮窄。

圖1 25 種參數(shù)組合倒裝焊后所獲得的剪切力分布情況

對剪切后的芯片和基板的失效模式進行研究，有助于進一步了解具有不同數(shù)量I/O 端的芯片失效機理。最佳倒裝焊參數(shù)下各類芯片經剪切力測試后殘留在芯片側和基板側表面的凹坑、凸點形貌如圖2 所示，其中圖2（a）（b）分別反映了具有121 個I/O 端的芯片經剪切力測試后凸點在芯片側和基板側的主要失效模式，測試后在芯片側和基板側均保留著剪切后的凸點，此種凸點為內部剪切失效模式，表明凸點上下焊接面強度大，焊接良好。對基板側凸點頂端進行能譜掃描分析，O 的摩爾分數(shù)為15.392%，Al 的摩爾分數(shù)為9.131%，Au 的摩爾分數(shù)為75.477%。圖2（c）（d）分別反映了具有225 個I/O 端的芯片經剪切力測試后凸點在芯片側和基板側的主要失效模式，凸點完全脫離了芯片側，殘留在基板一側，此種失效模式表明倒裝焊能量不均勻。一些焊點能量過于集中而使得原本焊好的金凸點被破壞，導致芯片與凸點的接觸力不足，凸點剪切后脫球失效。對基板側凸點頂端進行能譜掃描分析，O 的摩爾分數(shù)為14.56%，Al 的摩爾分數(shù)為43.95%，Au 的摩爾分數(shù)為41.59%。圖2（e）（f）分別反映了具有361 個I/O 端的芯片經剪切力測試后凸點在芯片側和基板側的主要失效模式，與225 個I/O 端的芯片凸點失效模式基本一致。通過臺階儀測試，得到圖2（e）中芯片側凹坑深度約為1.72 μm，大于圖2（c）中的芯片側凹坑深度（1.08 μm）。對比具有不同數(shù)量I/O 端的芯片所使用的最佳倒裝焊參數(shù)，具有361 個I/O 端的芯片單位凸點上的超聲功率為0.038 W，單位凸點上的平均壓力為0.82 N，小于具有225 個I/O 端的芯片所使用的最佳參數(shù)（單位凸點上的超聲功率為0.040 W，單位凸點上的平均壓力為0.84 N），這表明某些凸點在倒裝焊過程中受到的能量是不均勻的，I/O端數(shù)越多，能量越容易集中于某些凸點從而影響整體的倒裝焊效果。從能譜分析結果看，I/O 端數(shù)從121 個增加到225 個，進一步再增加到361 個，相應的Al 的摩爾分數(shù)從9.131%增加到43.95%，進一步增加到94.06%，這同樣表明I/O 端數(shù)量越多，能量越容易集中于某些凸點，過大的能量不僅會破壞焊接面，更容易破壞底層鋁，導致推力測試過程中凸點連帶著底層鋁一起被推起。

圖2 最佳倒裝焊參數(shù)下各類芯片經剪切力測試后殘留在芯片側和基板側表面的凹坑、凸點形貌

為獲得更好的倒裝焊質量，提高倒裝焊的剪切強度和工藝窗口，本文提出一種預倒裝的方法。將制備好金凸點的芯片通過超聲熱壓的方法預先倒裝于表面平整的Al2O3陶瓷基板上，加入預倒裝環(huán)節(jié)后的倒裝焊過程如圖3 所示。利用金與Al2O3陶瓷在熱壓超聲過程中無法完成焊接的特性，超聲和壓力作用于金凸點和基板之間的接觸面。由于每個凸點所獲得的能量不均勻，高度較高或者較靠近邊緣位置的凸點獲得的能量高，產生的形變較大；高度較低或者較為靠近中間區(qū)域的凸點獲得的能量少，產生的形變較小。預倒裝后在倒裝焊過程中每個凸點可獲得更加均勻的能量。

圖3 加入預倒裝環(huán)節(jié)后的倒裝焊過程

預倒裝前后的金凸點形貌如圖4 所示，以具有361 個I/O 端的芯片為研究對象，使用掃描電鏡對剛制備好的金凸點進行表征，預倒裝前的金凸點形貌如圖4（a）所示，金凸點表面殘留著尾絲。圖4（c）為預倒裝前金凸點的高度熱力圖，可以看出，尾絲高出金凸點表面約9.4 μm，這表明剛制備好的金凸點表面是不平整的。從圖4（b）可以看出，預倒裝后的凸點表面尾絲在超聲和壓力的共同作用下被焊合在了凸點表面。從圖4（d）可以看到，尾絲高度僅高出凸點平面約1.5 μm，小于預倒裝前的9.4 μm。從圖4（e）中可以看到，預倒裝后金凸點陣列靠近邊緣處的凸點形變量較大，凸點直徑為87～89 μm，靠近中心處的凸點形變量較小，凸點直徑為82 μm 左右，這表明能量在傳遞過程中的不均勻對凸點形變存在不同的影響。另一方面，使用3D 表面光學輪廓儀對金凸點陣列中X、Y 方向上隨機7 個凸點進行高度表征，圖5 為預倒裝前后的金凸點陣列的3D 表面光學輪廓圖及對應凸點高度值。從圖5（a）（b）（c）可以看到，預倒裝前凸點的高度為38～43 μm，最大高度差為5 μm，這表明凸點與凸點之間的高度差較大，高度一致性差。凸點高度一致性差對倒裝焊的能量均勻傳遞有負面影響，隨著I/O 端數(shù)量的增多，倒裝焊后所獲得的凸點最大剪切力下降，工藝窗口縮窄。從圖5（d）（e）（f）可以看出，預倒裝后隨機相鄰的4 個金凸點的高度為29～31 μm，最大高度差為2 μm，小于預倒裝前的5 μm，這表明經過預倒裝后凸點表面更加平整，高度一致性更好。

圖4 預倒裝前后的金凸點形貌

圖5 預倒裝前后金凸點陣列的3D 表面光學輪廓圖及對應凸點高度值

為了評估預倒裝后的倒裝效果，同樣采用正交試 驗法進行試驗，倒裝焊后的剪切力數(shù)值如表5 所示。

表5 預倒裝后具有361 個I/O 端的芯片倒裝焊后的剪切力數(shù)值

根據(jù)式（1），可以計算出預倒裝后的剪切力標準差σ361’=0.099 6，小于預倒裝前的剪切力標準差σ361=0.104 3，這表明同樣工藝參數(shù)范圍內預倒裝后所獲得的凸點剪切力的分布更加集中，即使用此方法后工藝窗口更寬，拓寬幅度達到4.5%，有利于生產過程中快速實現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化。從表5 中可以看到，預倒裝后單位凸點上的最大平均剪切力達到了0.54 N，大于預倒裝前的0.5 N，提升了8%，增強了金凸點倒裝焊的可靠性。

4 結論

隨著I/O 端數(shù)的不同，金凸點倒裝焊過程中達到最大剪切力時的焊接參數(shù)會存在一定的差別?？傮w而言，I/O 端越多，單位凸點上的平均超聲功率和壓力越小，相應的單位凸點上的最大平均剪切力數(shù)值也會越小。通過引入預倒裝的方法，將制備好金凸點的芯片預先倒裝在表面平整的Al2O3陶瓷基板上進行超聲加壓處理，預倒裝后單位凸點上的最大平均剪切力提升了8%，工藝窗口拓寬了4.5%，增強了金凸點倒裝焊的可靠性，有利于生產過程中快速實現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化。