趙竟成，周德洪，鐘成，王曉衛(wèi)，何煒樂

（1.電子科技大學(xué)（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(zhǎng)引線的寄生電容、電感大，所需空間大，很難滿足電子產(chǎn)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(diǎn)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(jìn)行高密度互連等優(yōu)勢(shì)，因而得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。根據(jù)芯片大小和用途的不同，常用的I/O 端從幾個(gè)[1]、幾十個(gè)[2]至成百上千個(gè)[3-6]不等。例如，儲(chǔ)存器要求小型化和輕薄化，其I/O 端一般為300 個(gè)左右；邏輯器件要求高度集成化，其I/O 端為3 000～10 000 個(gè)。在傳統(tǒng)的倒裝焊中，常使用焊料凸點(diǎn)作為連接材料，其性能已經(jīng)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(dá)250 ℃的溫度，因此，很多對(duì)溫度敏感的芯片無(wú)法使用此方法進(jìn)行倒裝焊。倒裝焊中也可以采用黏合劑在低溫情況下實(shí)現(xiàn)互連，但需要額外在凸點(diǎn)上涂敷黏合材料，該方案工藝復(fù)雜且成本高。采用金凸點(diǎn)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(duì)壓力和溫度的要求，特別適用于易碎、對(duì)溫度敏感的芯片材料，如LED 的外延層[1]。同時(shí)，金凸點(diǎn)具有導(dǎo)電率好、導(dǎo)熱性好、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)[1,8]，因此受到了市場(chǎng)的關(guān)注和廣大學(xué)者的研究。

但是，金凸點(diǎn)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(huì)發(fā)生變化[9-10]。KANG 等人[9]發(fā)現(xiàn)，對(duì)芯片進(jìn)行倒裝焊時(shí)的超聲振幅較大時(shí)，原本在一個(gè)周期中已經(jīng)形成的新鍵可能在下一個(gè)周期中被破壞，而過小的振幅則不能產(chǎn)生足夠的成鍵能量。除此之外，超聲能量在各個(gè)凸點(diǎn)的連接層的傳輸有所不同，存在不能完全焊好每一個(gè)凸點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)?？琢钏蒣11]發(fā)現(xiàn)，陣列邊緣處凸點(diǎn)受到的等效鍵合壓力略大于中心區(qū)域凸點(diǎn)，并且邊緣處凸點(diǎn)的等效振動(dòng)會(huì)逐漸偏離中心區(qū)域，換言之，在多凸點(diǎn)倒裝焊中每個(gè)凸點(diǎn)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(diǎn)的平面度、位置度、凸點(diǎn)共面性等。共面性表示凸點(diǎn)陣列中的凸點(diǎn)高度存在一定的差異。以用釘頭凸點(diǎn)法制備的金凸點(diǎn)為例，鍵合機(jī)的傳動(dòng)誤差和尾絲的隨機(jī)斷裂會(huì)造成凸點(diǎn)與凸點(diǎn)間的高度存在差異，在熱壓超聲倒裝焊中，高度較高的凸點(diǎn)或凸點(diǎn)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(diǎn)形變量增大。隨著接觸壓力的不斷增大，當(dāng)總壓力增大到傳感器的設(shè)定值時(shí)，芯片與基板不再產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。若此時(shí)高度較低的金凸點(diǎn)還未接觸到基板焊盤，則施加超聲時(shí)金鋁之間無(wú)法焊合，會(huì)造成漏焊。同理，接觸壓力過高的區(qū)域會(huì)因?yàn)檫^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(huì)出現(xiàn)欠焊合現(xiàn)象，金鋁擴(kuò)散程度低。此差異隨著凸點(diǎn)數(shù)量的增加而愈發(fā)明顯，因此，多I/O 端數(shù)的金凸點(diǎn)倒裝焊存在一定困難和挑戰(zhàn)。

本文通過正交試驗(yàn)法，研究I/O 端數(shù)分別為121個(gè)、225 個(gè)、361 個(gè)的三種芯片的金凸點(diǎn)倒裝焊最佳參數(shù)，以單位凸點(diǎn)上的最大平均剪切力作為衡量焊點(diǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著I/O 端數(shù)量的增加，達(dá)到單位凸點(diǎn)上最大平均剪切力時(shí)所需要的單位凸點(diǎn)平均壓力和平均超聲功率依次減小，單位凸點(diǎn)上的最大平均剪切力也依次減小。針對(duì)361 個(gè)I/O 端數(shù)的芯片，通過引入預(yù)倒裝的方法增強(qiáng)金凸點(diǎn)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(gè)I/O 端數(shù)芯片的倒裝焊后，單位凸點(diǎn)上的最大平均剪切力達(dá)到了0.54 N，比未使用此方法時(shí)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(yàn)過程

2.1 金凸點(diǎn)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(diǎn)法，利用鍵合機(jī)植球模式在鋁焊盤表面植上金凸點(diǎn)陣列，所用金絲直徑為25 μm，植球完成后單個(gè)凸點(diǎn)的直徑約為80 μm。具有121 個(gè)、225 個(gè)、361 個(gè)I/O 端的芯片，對(duì)應(yīng)的凸點(diǎn)陣列分別為11×11，15×15，19×19。

2.2 基板焊盤的制備

采用燒結(jié)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(dòng)倒裝鍵合機(jī)，采用正交試驗(yàn)法，對(duì)三種具有不同數(shù)量I/O 端的芯片，優(yōu)化單位凸點(diǎn)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(shí)間控制為1 s，設(shè)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(shè)置5 組參數(shù)，共進(jìn)行25 組試驗(yàn)。

2.4 剪切力測(cè)試

使用德瑞茵精密科技有限公司的MFM1200 推拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)完成倒裝焊后的樣品進(jìn)行剪切力測(cè)試。用夾具固定好基板（基板上有已經(jīng)完成倒裝焊的芯片），推頭正對(duì)芯片的一邊，按下開始鍵后推頭開始測(cè)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(dòng)，移動(dòng)速度為3 mm/s，觸碰到芯片后對(duì)其施加剪切力，直至芯片剪切失效，記錄此時(shí)的剪切力數(shù)值。每組試驗(yàn)對(duì)5 只樣品進(jìn)行剪切力測(cè)試，測(cè)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(yàn)分析與討論

各組試驗(yàn)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(cè)試中所獲得的最大單位凸點(diǎn)的平均剪切力值分別為0.62 N、0.56 N 和0.50 N，其所對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的單位凸點(diǎn)上的平均超聲功率分別為0.042 W、0.040 W 和0.038 W，所對(duì)應(yīng)的單位凸點(diǎn)上的平均壓力為0.86 N、0.84 N 和0.82 N。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著I/O 端數(shù)的增加，倒裝焊后達(dá)到最大剪切力時(shí)所需要的單位凸點(diǎn)上的平均超聲功率和平均壓力逐漸減小，所能達(dá)到的最大剪切力也逐漸減小。

表2 具有121 個(gè)I/O 端的芯片倒裝焊后的剪切力數(shù)值

表3 具有225 個(gè)I/O 端的芯片倒裝焊后的剪切力數(shù)值

表4 具有361 個(gè)I/O 端的芯片倒裝焊后的剪切力數(shù)值

以標(biāo)準(zhǔn)差σ 來(lái)評(píng)價(jià)各組剪切力數(shù)據(jù)的分布情況，其計(jì)算式為

其中，xi為第i 個(gè)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(gè)數(shù)。

經(jīng)計(jì)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(nèi)，具有121 個(gè)I/O 端的芯片倒裝焊后剪切力更加集中，具有225 個(gè)I/O 端的芯片倒裝焊后剪切力其次，具有361 個(gè)I/O 端的芯片倒裝焊后剪切力最分散，這說(shuō)明I/O 端數(shù)量越少，在一定范圍內(nèi)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，其最終剪切力的變化幅度不會(huì)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?？梢钥吹剑哂?21 個(gè)I/O 端的芯片單位凸點(diǎn)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(gè)I/O 端的芯片單位凸點(diǎn)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(gè)I/O 端的芯片單位凸點(diǎn)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(diǎn)的最大剪切力和平均剪切力都會(huì)減小，工藝窗口會(huì)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(duì)剪切后的芯片和基板的失效模式進(jìn)行研究，有助于進(jìn)一步了解具有不同數(shù)量I/O 端的芯片失效機(jī)理。最佳倒裝焊參數(shù)下各類芯片經(jīng)剪切力測(cè)試后殘留在芯片側(cè)和基板側(cè)表面的凹坑、凸點(diǎn)形貌如圖2 所示，其中圖2（a）（b）分別反映了具有121 個(gè)I/O 端的芯片經(jīng)剪切力測(cè)試后凸點(diǎn)在芯片側(cè)和基板側(cè)的主要失效模式，測(cè)試后在芯片側(cè)和基板側(cè)均保留著剪切后的凸點(diǎn)，此種凸點(diǎn)為內(nèi)部剪切失效模式，表明凸點(diǎn)上下焊接面強(qiáng)度大，焊接良好。對(duì)基板側(cè)凸點(diǎn)頂端進(jìn)行能譜掃描分析，O 的摩爾分?jǐn)?shù)為15.392%，Al 的摩爾分?jǐn)?shù)為9.131%，Au 的摩爾分?jǐn)?shù)為75.477%。圖2（c）（d）分別反映了具有225 個(gè)I/O 端的芯片經(jīng)剪切力測(cè)試后凸點(diǎn)在芯片側(cè)和基板側(cè)的主要失效模式，凸點(diǎn)完全脫離了芯片側(cè)，殘留在基板一側(cè)，此種失效模式表明倒裝焊能量不均勻。一些焊點(diǎn)能量過于集中而使得原本焊好的金凸點(diǎn)被破壞，導(dǎo)致芯片與凸點(diǎn)的接觸力不足，凸點(diǎn)剪切后脫球失效。對(duì)基板側(cè)凸點(diǎn)頂端進(jìn)行能譜掃描分析，O 的摩爾分?jǐn)?shù)為14.56%，Al 的摩爾分?jǐn)?shù)為43.95%，Au 的摩爾分?jǐn)?shù)為41.59%。圖2（e）（f）分別反映了具有361 個(gè)I/O 端的芯片經(jīng)剪切力測(cè)試后凸點(diǎn)在芯片側(cè)和基板側(cè)的主要失效模式，與225 個(gè)I/O 端的芯片凸點(diǎn)失效模式基本一致。通過臺(tái)階儀測(cè)試，得到圖2（e）中芯片側(cè)凹坑深度約為1.72 μm，大于圖2（c）中的芯片側(cè)凹坑深度（1.08 μm）。對(duì)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(gè)I/O 端的芯片單位凸點(diǎn)上的超聲功率為0.038 W，單位凸點(diǎn)上的平均壓力為0.82 N，小于具有225 個(gè)I/O 端的芯片所使用的最佳參數(shù)（單位凸點(diǎn)上的超聲功率為0.040 W，單位凸點(diǎn)上的平均壓力為0.84 N），這表明某些凸點(diǎn)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(diǎn)從而影響整體的倒裝焊效果。從能譜分析結(jié)果看，I/O 端數(shù)從121 個(gè)增加到225 個(gè)，進(jìn)一步再增加到361 個(gè)，相應(yīng)的Al 的摩爾分?jǐn)?shù)從9.131%增加到43.95%，進(jìn)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(diǎn)，過大的能量不僅會(huì)破壞焊接面，更容易破壞底層鋁，導(dǎo)致推力測(cè)試過程中凸點(diǎn)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(jīng)剪切力測(cè)試后殘留在芯片側(cè)和基板側(cè)表面的凹坑、凸點(diǎn)形貌

為獲得更好的倒裝焊質(zhì)量，提高倒裝焊的剪切強(qiáng)度和工藝窗口，本文提出一種預(yù)倒裝的方法。將制備好金凸點(diǎn)的芯片通過超聲熱壓的方法預(yù)先倒裝于表面平整的Al2O3陶瓷基板上，加入預(yù)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(wú)法完成焊接的特性，超聲和壓力作用于金凸點(diǎn)和基板之間的接觸面。由于每個(gè)凸點(diǎn)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(diǎn)獲得的能量高，產(chǎn)生的形變較大；高度較低或者較為靠近中間區(qū)域的凸點(diǎn)獲得的能量少，產(chǎn)生的形變較小。預(yù)倒裝后在倒裝焊過程中每個(gè)凸點(diǎn)可獲得更加均勻的能量。

圖3 加入預(yù)倒裝環(huán)節(jié)后的倒裝焊過程

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

圖4 預(yù)倒裝前后的金凸點(diǎn)形貌

圖5 預(yù)倒裝前后金凸點(diǎn)陣列的3D 表面光學(xué)輪廓圖及對(duì)應(yīng)凸點(diǎn)高度值

為了評(píng)估預(yù)倒裝后的倒裝效果，同樣采用正交試 驗(yàn)法進(jìn)行試驗(yàn)，倒裝焊后的剪切力數(shù)值如表5 所示。

表5 預(yù)倒裝后具有361 個(gè)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(jì)算出預(yù)倒裝后的剪切力標(biāo)準(zhǔn)差σ361’=0.099 6，小于預(yù)倒裝前的剪切力標(biāo)準(zhǔn)差σ361=0.104 3，這表明同樣工藝參數(shù)范圍內(nèi)預(yù)倒裝后所獲得的凸點(diǎn)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(dá)到4.5%，有利于生產(chǎn)過程中快速實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化。從表5 中可以看到，預(yù)倒裝后單位凸點(diǎn)上的最大平均剪切力達(dá)到了0.54 N，大于預(yù)倒裝前的0.5 N，提升了8%，增強(qiáng)了金凸點(diǎn)倒裝焊的可靠性。

4 結(jié)論

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