（材料学专业论文）脉冲电镀法制备ausn凸点的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 发光二极管( l e d ) 具有节能、环保、寿命长等优点，近年来得到突飞猛进的发展。 随着大功率高亮度l e d 芯片的制备成功，l e d 在照明领域的应用已经成为可能。未来 l e d 将逐步取代荧光灯、白炽灯，成为下一代照明光源。从实际应用的角度来看，大功 率l e d 必将取代传统的小功率l e d 成为主流半导体照明器件。 为了解决大功率l e d 的散热问题，提高出光效率，倒装芯片技术成为国际上主流 封装技术之一，倒装芯片技术中的关键是芯片凸点制备。本文选取a u - 2 0 w t s n 共晶无 铅焊料作为凸点材料，并采用分步电镀a u 和s n 薄膜的方法来制备a u - 2 0 w t s n 共晶 焊料。论文中优化了脉冲镀a u 、s n 的工艺参数，得到优良的镀a u 层和镀s n 层。在硅 片上分步沉积a u 和s n 薄膜，分别研究了时效和回流焊过程中的a u s n 薄膜固固界面 反应和共晶反应的特征。 主要研究结果如下： ( 1 ) 直流电镀所得镀a u 层孔隙率大，镀层疏松。通过优化脉冲电镀工艺参数，得 到了晶粒细密、平整性良好的镀a u 层。导通时间3 m s ，断开时间3 m s ，平均电流密度 在4 , - , 1 0 m a c m 2 内变化时，镀层晶粒尺寸先减小后增大。在最佳电镀工艺条件下，镀a u 层厚度与电镀时间之间存在良好的线性关系。 ( 2 ) 与脉冲镀相比，采用周期换向脉冲镀有助于提高镀s n 层性能，得到平整、均 匀的镀s n 层。在最佳电镀工艺参数下，镀s n 层平均厚度与施镀时间之间存在良好的线 性关系。 ( 3 ) a u s n ( 1 0 n 1 0 p m ) 薄膜在室温下放置一周后，形成5 岬左右的反应层，从 a u 一侧起组成物依次为a u s n 、a u s n 2 和a u s n 4 ，a u s n 4 首先在州s n 界面上生成，随 后a u s n 和a u s n 2 在a u a u s n 4 界面上生成。1 5 0 下时效同样得到a u s n a u s n 2 a u s n 4 三相层状组织，由于a u 的扩散速率比s n 快，1 5 小时后s n 消耗完毕，a u s m 将逐渐转 化为a u s n 和a u s n 2 。a u s n ( 9 p m 6 t m ) 薄膜在2 8 0 下回流1 0 秒后，得到 a u 5 s n a u s n a u s n 2 笋状组织；延长回流时间至6 0 秒后得到典型的a u 2 0 w t s n 共晶组 织，由a u 5 s n 和a u s n 两相组成。 关键词：倒装；a u - s n 凸点；脉冲电镀；镀金；镀锡；显微组织 脉冲电镀法制备a u - s n 凸点的研究 t h es t u d yo fp u l s ee l e c t r o p l a t i n go fa u s nb u m p s a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n t a g e so fe n e r g ys a v i n g ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dl o n gl i f e ，l e dh a s d e v e l o p e dr a p i d l yt h e s e sy e a r s d u et ot h ei n v e n t i o no fl i b l e d ，i th a sb e e ne n t e r e dl i g h t i n g f i e l d l e dw i l lg r a d u a l l yr e p l a c ei n c a n d e s c e n tl a m pa n df l u o r e s c e n tl a m pt ob et h en e x t g e n e r a t i o no fl i g h ts o u r c e i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，t h em a i nd e v e l o p m e n tt r e n di st h e r e p l a c e m e n to fl o w - p o w e rl e db yh i g h p o w e rl e d i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m so fh e a t d i s s i p a t i o na n dl u m i n e s c e n c ee f f i c i e n c y o f 1 1 i g h - p o w e rl e d ，f l i pc h i p ( f c ) t e c h n o l o g yh a sb e c o m e o n eo f t h em o s tp o p u l a rm e t h o d si nt h e p a c k a g eo fl e d b u m p i n gi sak e ys t e pi nf ct e c h n o l o g y a u 2 0 w t s ne u t e c t i es o l d e rw a s c h o s e nf o rt h eb u m p sm a t e r i a la n ds e q u e n t i a le l e c t r o p l a t i n go fa ua n ds nw a sa d o p t e dt o m a n u f a c t u r et h eb u m p s t h i sp a p e ro p t i m i z e dt h ep u l s ee l e c t r o p l a t i n gp a r a m e t e r so f a ua n ds n i no r d e rt oo b t a i nf i n ed e p o s i t s a u s nd u a l l a y e rf i l mw a s e l e c t r o p l a t e do ns iw a f e rb yp u l s e e l e c t r o p l a t i n go fa ua n ds ns e q u e n t i a l l y t h es o l i d s o l i di n t e r f a c i a lr e a c t i o nd u r i n ga g i n ga n d t h ee u t e c t i e r e a c t i o nd u r i n gr e f l o w i n gw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ： ( 1 ) t h ea uf i l me l e c t r o p l a t e db yd i r e c tc u r r e n th a dh i g hp o r o s i t ya n db a du n i f o r m i t y t h e p u l s ee l e c t r o p l a t i n gp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e dt oo b t a i ng r a i n - r e f i n e da n dh o m o g e n e o u sa u f i l m w h e nt o n = 3 m s ，铲3 m s ，i ft h ec u r r e n td e n s i t yv a r i e df r o m4m a c m zt olo m a c m 2 ，t 1 1 e g r a i ns i z eo ft h ea uf i l mf i r s t l yd e c l i n e da n dt h e nr i s e d t h e r ew a sal i n e a rr e l a t i o n s h i p b e t w e e ne l e c t r o p l a t i n gt i m ea n dt h et h i c k n e s so fa uf i l mu n d e rt h eo p t i m u me l e c t r o p l a t i n g c o n d i t i o n ( 2 ) c o m p a r e dt op u l s ec u r r e n t ，p e r i o d i c a l l yr e v e r s e dp u l s ec u r r e n tc o u l di m p r o v et h e p r o p e r t yo fs nf i l m s t h e r ew a sal i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e ne l e c t r o p l a t i n gt i m ea n dt h e t h i c k n e s so fs nf i l mu n d e rt h eo p t i m u me l e c t r o p l a t i n gc o n d i t i o n ( 3 ) a f t e rs t o r a g ea tr o o mt e m p e r a t u r ef o ro n ew e e k ，t h er e a c t i o nz o n eo f a u s n ( 10 1 x m 10 1 x m ) f i l mw a sa b o u t5 1 x mt h i c k t h r e ep h a s e s ，a u s n ，a u s n 2a n da u s n 4 ，w e r e s e q u e n t i a l l yf o r m e di nt h er e a c t i o nz o n ef r o mt h ea us i d et ot h es ns i d e f i r s t l y ，a u s n 4w a s f o r m e da tt h ea u s ni n t e r f a c e ，a n dt h e na u s na n da u s n 2w e r ef o r m e da tt h ea u a u s n 4 i n t e r f a c e a f t e ra g i n ga t15 0 ，t h el a y e r e ds t r u c t u r eo fa u s n a u s n 2 a u s n 4w a so b s e r v e d ， t o o d u et ot h ef a s t e rd i f f u s i o no fa ut os n ，a 1 1o fs nw a sc o n s u m e da f t e rl5h o u r sa n da u s n 4 l a y e rg r a d u a l l yt r a n s f o r m e di n t oa u s na n da u s n 2l a y e r s a f t e rr e f l o w i n ga t2 8 0 f o r10 一i i 大连理工大学硕士学位论文 s e c o n d s ，t h er e a c t i o nz o n eo fa u s n ( 9 p a r 9 6 p m ) f i l m sh a dab a m b o o s h o o t - l i k em i c r o s t r u c t u r e o fa u 5 s n a u s n a u s n 2 a f t e rr e f l o w i n ga t2 8 0 cf o r6 0 s ，a u s n ( 9 1 x m 6 i ，t m ) f i l m sf o r m e da t y p i c a lt w o p h a s e ( a u s s na n da u s n ) e u t e c t i cm i c r o s t r u c t u r e k e yw o r d s ：f l i pc h i p ；a u s nb u m p ；p u l s ee l e c t r o p l a t i n g ；a ue i e c t r o d e p o s i t i o n ；s n e i e c t r o d e p o s i t i o n ；m i c r o s t r u c t u r e i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 醢湮鱼拯蠢必蜓s 凸璺量曲越 作者签名：高邋 ：二日期：塑q ! ：年上月2 日 大连理工人学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 篡聋耸掣 l t l 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 l e d 概述 l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 即发光二极管，是一类可直接将电能转化为光能的电 子器件并具有二极管的特性。这种半导体固体光源的内部结构上分p 区和n 区，p 区和 n 区相交的界面形成p n 结【l l 。l e d 同普通半导体二极管一样允许电流单向导通，根据 加在二极管两端的电压大小，利用通过l e d 的电流最终使p n 结发光。它不是通过热能 使物体升温而发光，是由电能直接转换为光，因而称之为冷光【2 】。 1 1 1 l e o 的发展 1 9 0 7 年，人类就发现了将半导体材料通电后可以发光。利用半导体p n 结发光源制 成的l e d ，问世于2 0 世纪6 0 年代初，全球第一款商用发光二极管是在1 9 6 5 年用锗材 料作成的，可以发出红光。早期的红色l e d 每瓦大约能提供0 1 流明( 1 m ) 输出光通量， 仅为一般6 0 1 0 0 w 白炽灯( 1 5 l 州w ) 的1 1 5 0 。1 9 6 8 年，利用氮掺杂工艺，使发光二 极管的效率达到了1 l 州w ，并且能够发出红光、橙光和黄色光。2 0 世纪6 0 7 0 年代， 因为发光效率非常低，l e d 的主要应用于各种昂贵的设备中作为信号指示灯使用。 2 0 世纪8 0 年代早期的重大技术突破是开发出a 1 g a a s 基l e d ，它能以1 0 1 m 啊的 发光效率发出红光，这一技术使l e d 能够应用于室外信息发布以及在汽车中央高位安 装停止灯设备。 进入2 0 世纪9 0 年代的技术突破，实现了第一个基于g a n 的实用型l e d ，随着氮 化物l e d 的发明，l e d 的发光效率有了质的突破，现在还有许多公司在用不同的基底 生产g a nl e d ，这些l e d 能够发出绿光、蓝光或者紫罗兰光等。 1 9 9 1 年日本东芝公司和美国h p 公司成功研制出i n g a a l p6 2 0 n m 橙色高亮度l e d ， 1 9 9 2 年i n g a a i p5 9 0 n m 黄色超高亮度l e d 实用化。同年，东芝公司研究出了i n g a a l p 5 7 3 n m 黄绿色超高亮度l e d ，法向光强达2 c d 。1 9 9 4 年日本日亚公司研制成i n g a n 4 5 0 n m 蓝( 绿) 色超高亮度l e d 。至此，彩色显示所需的红、绿、蓝三基色以及橙色、 黄色等多种颜色的l e d 都达到了坎德拉级的发光强度，实现了超高亮度化、全色化， 使发光管的户外全色现实成为现实【3 】。 在1 9 9 1 年至2 0 0 1 年期间，材料技术、裸片尺寸和外形方面的进一步发展，使商用 l e d 的光通量提高了将近2 0 倍，未来的l e d 芯片，一定朝着提高发光效率的方向发展。 根据专家计算，l e d 芯片发光效率可以达到2 0 0l m w ，随着半导体材料技术、封装技 术的不断发展创新，人们期待的用白光l e d 替代白炽灯、荧光灯的照明时代即将来临。 脉冲电镀法制备a u s n 凸点的研究 1 1 2l e d 的特点 影响l e d 产业发展最重大的转变是高亮度白光l e d 的发明。高亮度白光l e d 的 出现，使其在照明领域的应用成为可能。l e d 与半导体照明产业是2 1 世纪最具有发展 前景的高新技术产业，将取代白炽灯和日光灯成为照明市场的主导。作为光源，l e d 的 优势主要有【1 4 】： ( 1 ) 绿色环保不同于现在现在广泛使用的荧光灯、汞灯等光源，l e d 不含有汞， 钠等可能危害健康的物质，废弃物可回收，不会污染环境：单色性好，没有多余红外、 紫外等辐射，热量很少。 ( 2 ) 发光效率高白炽灯、卤钨灯的光效为1 2 2 4 1 m w ，荧光灯为5 0 - 7 0 1 m w ， 钠灯为9 0 - 一1 4 0 1 m w ，目前，白光l e d 的出光效率已经达到7 0 1 m w ，如果按照现在的 l e d 技术发展预测，到了2 0 1 5 年，白光l e d 的出光效率有可能达到1 5 0 - - , 2 0 0 1 m w ，远 远超过了现在所有照明光源的出光效率。 ( 3 ) 节能l e d 电能利用率高达8 0 以上。作为冷光源，与白炽灯相比，白光l e d 照明可节电8 0 - - 9 0 ，与荧光灯相比可节省5 0 的电能； ( 4 ) 结构牢固l e d 是环氧树脂封装的固态光源，能经受住高强度震动冲击而不 易破碎。 ( 5 ) 使用寿命长普通白炽灯的寿命约为一千小时，荧光灯、金属卤化物灯寿命 不会超过一万小时，而l e d 目前的使用寿命可长达数万小时。 此外，l e d 作为照明光源还有一些重要优点，例如响应时间短、单色性好、色彩鲜 艳丰富、体积小、节省安装空间等。 1 1 。3l e d 的应用领域 近些年l e d 市场规模得到了快速提升，应用领域已经从最简单的电器指示灯、l e d 显示屏，发展到l c d 背光源、景观照明、室内装饰灯、汽车照明等其他领域。 ( 1 ) 路灯照明由于大功率l e d 近年来快速发展，目前光效可达到6 0 7 0 1 m w ， 所以大量采用大功率l e d 用于路灯照明。 ( 2 ) l e d 显示屏由于半导体的制作方法和加工工艺逐步完善和成熟，l e d 显示 屏在各行各业得到了广发应用，其发展前景极为广阔。主要应用场所有道路交通、银行 证券交易场所、机场、车站、体育场馆等。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 汽车照明l e d 灯具是第四代汽车光源，它的出现爆发又一次汽车照明革命， 具有划时代意义，它已经并将进一步影响汽车灯具的变革。这几年来一些著名品牌都 在针对车用l e d 发掘新的卖点，采用l e d 光源作为汽车的灯具或用于照明。 ( 4 ) 交通信号灯使用l e d 交通信号灯取代传统白炽灯，节电可达8 0 以上，其光 学性能比用1 0 0 w 的白炽灯还要好，而且，由于l e d 信号灯的使用寿命较长，这大幅降 低产品损耗、废品处理等成本。除了上述优势，l e d 灯的识别性也很强，即便受夕阳照 射，也可轻松辨别出灯是否点亮，这在很大程度上提高了安全性。 ( 5 ) 背光源由于l e d 体积小，发光亮度高、省电，而且安装方便、颜色多样， 所以采用l e d 做背光源，已经得到广泛的共识，如手机的背光源，手提电脑等都采用l e d 作为背光源。前几年，l e d 在手机和笔记本电脑上的使用量占l e d 市场销售量的 3 0 0 0 , - 4 0 。 ( 6 ) 城市亮化工程和夜景工程l e d 的用电量是白炽灯的十分之一，是荧光灯的 二分之一，使用寿命可达几万小时，而且用电省，不会造成线路电流过大而老化烧损， 从而减少维修工作。 近几年，l e d 的发光效率增长了1 0 0 倍，成本下降1 0 倍，其发展前景吸引全球照明 大厂家都先后加入l e d 光源及市场开发中。随着l e d 芯片制造技术的发展和封装技术的 提高，l e d 的成本还将继续降低，l e d 照明产品的应用范围和市场需求量还在大幅增长， 并将深入到国民经济的各个部门，成为本世纪的主导光源。 1 1 4l e d 国内外研究现状 中国绿色照明工程促进项目办公室做过一个专项调查，我国照明用电每年在3 0 0 0 亿 度以上，如果使用l e d 取代全部白炽灯或部分取代荧光灯，那么每年将节省三分之一的 照明用电，约1 0 0 0 亿度，相当于一个总投资超过2 0 0 0 亿元的三峡工程全年的发电量。这 对能源十分紧张的我国来说，无疑具有十分重要的战略意义【5 ，6 l 。同样，美国能源部也有 一个类似的预测，至u 2 0 1 0 年美国一半的白炽灯及日光灯如果由l e d 取代，仅节约的电费 就达至u 3 5 0 亿美元。 正是在这种情况下，美国、日本、韩国都制定了相应的国家半导体照明计划口7 】。日 本于1 9 9 8 年在世界率先开展了“2 l 世纪照明计划”，旨在通过使用寿命长、更薄、更 轻的g a n 高效蓝光和紫外l e d 技术，使得照明能量效率提高到传统荧光灯的两倍，从 而减少二氧化碳的排放。1 9 9 8 年至2 0 0 2 年耗资5 0 亿日元的第一期目标已经完成，现在 日本正在实施第二期计划，预计到2 0 1 0 年l e d 的发光效率将达到1 2 0 1 m w ，并预计到 2 0 1 0 年，白色l e d 在照明市场普及率将达1 3 。 脉冲电镀法制备a u s n 凸点的研究 美国2 0 0 0 年制定的“下一步照明计划”( n g l p ) ，计划从2 0 0 0 到2 0 1 0 年投资5 亿美元，将在2 0 2 0 年达到发光效率2 0 0 1 m w 的目标，参加的主要l e d 厂商有l u m i l e d s 、 c r e e 、a g l i e n t 、g e l o r e 等国际大企业。美国半导体照明计划将要取得的成绩包括减少2 5 8 亿吨碳污染物的排放，少建1 3 3 座新电站。到2 0 2 5 年，固态照明光源的使用将使照明 用电减少一半，累计节约财政开支l1 5 0 亿美元，从而形成一个年产值5 0 0 亿美元的半 导体照明产业，带来数以百万计的工作机会。美国市场调研公司b c cr e s e a r c h 最近的 l e d 市场预测报告中指出，随着移动通信设备市场逐渐饱和，l e d 市场正在进入缓慢 增长期。预计未来5 年内，年均增长率将保持在1 0 2 左右。但随着l e d 在照明、汽车 头灯和背光源等新兴领域的应用，到2 0 11 年世界l e d 市场将达到1 0 6 亿美元，年出货 量约为8 8 亿个哺j 。 我国l e d 的发展起步于2 0 世纪7 0 年代，产业出现于8 0 年代。通过几个“五年计划” 的技术改造、技术攻关以及引进国外先进设备或部分关键技术，今天我国l e d 的生产技 术已经向前跨了一步。有关资料显示，我国已经成为世界第一大照明电器生产国和出口 国。2 0 0 3 年成立了国家半导体照明工程协调领导小组，提出了我国实施半导体照明工程 的总体方。确定从协调领导小组成立之日起至u 2 0 0 5 年底这段时间为半导体照明工程项目 的紧急启动期，并在“十五 攻关计划中紧急启动半导体照明产业关键技术等重大项目。 2 0 0 4 年4 月，科技部确定了厦门、上海、大连和南昌为首批四个国家半导体照明产业基 地。而且每一区域都初步形成了比较完整的产业链。长三角、珠三角、闽三角以及北方 地区成为中国l e d 产业发展的聚集地。2 0 0 6 年l o 月，国家 十一五“8 6 3 计划”半导体 照明工程 重大项目正式启动。至此我国半导体照明产业进入了自主创新、实现跨越式 发展的重大历史机遇。在“照明工程 推动下，经过“十五”期间工程的组织与实施， 我国半导体照明产业得到全面发展，2 0 0 6 年国产芯片占有率达4 4 ，2 0 0 1 - 2 0 0 6 年l e d 市场销售额增长率为4 8 ，2 0 0 6 年l e d 封装产值达1 4 6 亿元，现在已经形成了从外延片生 产、芯片制备、器件封装到集成应用的比较完整的研发体系。预计2 0 1 0 年我国半导体照 明及相关产业产值将达到1 0 0 0 亿元。 1 2 l e d 的封装 在l e d 产业链中，上游是l e d 衬底晶片及衬底生产，中游为l e d 芯片设计及制造， 下游是l e d 封装与测试。封装技术对l e d 性能的好坏起着至关重要的作用，低热阻、光 学特性优异、高可靠性的封装技术是新型l e d 走向实用化、走向市场的必经之路。 大连理工大学硕士学位敝 121l e d 封装的演变 l e d 封装的主要目的是为了确保发光芯片和下一层电路闻的电气和机械性的正确 接触并保护发光芯片不会受到机械、热、潮湿及其它的外部冲击。同时，由于l e d 要 实现其光学方面的特性，封装时也需要考虑和确保其光学特性能满足要求。l e d 产业经 过4 0 多年的发展，经过了支架式l e d ( l e a dl e d ) 、普通贴片式l e d ( c h i ps m dl e d ) 、 功率l e d ( p o w e r l e d ) 、大功率l e d ( h i g hp o w e r l e d ) 等发展历程。从实际应用的 角度来看，目前l e d 朝着大功率、高光效的方向发展将在大部分照明中取代传统小功 率l e d 器件 9 1 。大的耗散功率，大的发热量，高的出光效率对封装工艺、封装设备和封 装材科提出了更高的要求，为了有效降低封装热阻，提高出光效率，必须采用新的设计 和封装理念。 p - - g a n ffl 监 n _ g d u 蓝宝石 图1i 蓝宝石村底的g a n 基芯片结构 f i g , 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f s a p p h i r e g a n - b a s e dc h i p 蓝宝石 n g a n p c a n - _ 圈i2 芯片倒装示意图 f i g12 s c h e m a t i cd i a g r a mo f f l i p - c h i pb o n d i n g 脉冲电镀法制备a u - s n 凸点的研究 传统的蓝宝石衬底的g a b 芯片结构如图1 1 所示，电极位于芯片出光面【1 3 1 。由于 p - g a n 层有限的电导率，因此要求在p g a n 层表面沉淀一层用于电流扩散的金属层。 这个电流扩散层由n i 和a u 组成，会吸收部分光，从而降低出光效率。如果采用倒装芯 片技术( f c l e d ) ，如图1 2 所示，以正面朝下的方式将芯片焊接到散热性能良好的衬 底上，并以高反射电极取代原本的透明电极( t c l ) ，使光自蓝宝石一面射出。那么电 流扩散层( 金属反射层) 就成为光的反射层。这样光可通过蓝宝石衬底发射出去，从而 提高了出光效率【l o j 。传统的正装l e d 芯片只能利用芯片内从正面出射的约5 0 的光能， 而倒装芯片封装通过反射电极将向下出射的光反射向上，使其也得到利用，这使得芯片 的出光效率在理论上讲增加了近一倍。此外，f c l e d 所产生的热可以透过足够多的接 合凸点( b u m p s ) 传导至高导热性的衬底上，这些材料的导热率一般高达1 4 0 , - 4 0 0 w ( m x k ) ，远大于蓝宝石，所以散热得到了更好的保证。 1 2 2 倒装芯片技术 倒装芯片( f l i pc h i p ，f c ) 技术是一种高级的表面安装技术，是电子封装业向着低 成本、高可靠性和高生产率方向发展过程中的一大进步。在该技术中，一般是先将芯片 的焊区形成一定高度的金属凸点( b u m p ) ( a u 、c u 、n i 、p b s n 等金属或合金) 后， 将芯片面朝下，再倒装焊到基板焊区，也可以在基板焊区位置上形成凸点。倒装焊实现 了芯片焊区与基板焊区直接互连，因此，倒装芯片的互连线非常短，互连产生的杂散电 容、互连电阻和互连电感均比引线键合和载带自动焊小得多，从而更适用于高频、高速 的电子产品应用l l l j 。同时，倒装芯片互连占的基板面积小，因而芯片安装密度高。倒装 焊中，芯片安装与互连是同时进行的，大大简化了安装互连工艺，快速省时。f c 关键 技术很多，主要包括：多层金属化技术，凸点制造技术，厚胶光刻技术等。 1 2 3 芯片凸点下多层金属化 焊点下金属层( u n d e rb u m pm e t a l l i z a t i o n ，u b m ) 是处于焊点和芯片或者基板之间 的过渡层，主要包括粘附层和阻挡层。粘附层的目的是为了增强凸点和芯片金属层、芯 片钝化层以及其他各种介质钝化层之间的粘附力，提供牢固的键合界面。粘附层一般为 数十微米厚的c r 、n i 、t i 层。在粘附金属层上形成一层数十至数百纳米厚度的阻挡层 金属，目的是阻挡凸点金属和外界污染离子向芯片金属层和粘附层的扩散，这种扩散会 形成脆性金属间化合物，对芯片金属层或粘附层产生腐蚀，显著降低互连系统的可靠性。 典型的阻挡层金属有：p t 、w 、p d 、m o 、c u 、n i 等。表1 1 列出了多层金属化及凸点 金属系统。多层金属化主要通过溅射形成，也有用电镀或化学镀的方法【1 2 , 1 3 】。 大连理工大学硕士学位论文 蠡 图1 3 芯片凸点结构示意图 f i g 1 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo fc h i pb u m p 表1 1典型的多层金属化及凸点金属系统 t a b 1 1 t y p i c a lu b m a n ds o l d e rb u m pm a t e r i a l s 1 2 4 芯片凸点类型 凸点材料不同，使用的粘接温度不同，连接方式不同，用途及加工方法也不同。按 照凸点材料分类，有a u 凸点、n i a u 凸点、a u s n 凸点、c u 凸点、c u - p b s n 凸点、i i l 凸点、p b s n 凸点和聚合物凸点等。表1 2 为应用于各个领域的不同材料的凸点0 4 。 过去的几十年中，由于传统的锡铅焊料( 以共晶或近共晶焊料为主) 具有良好的工 艺性能、合适的力学性能、成熟的使用工艺以及完备的配套钎剂系统，在电子工业中得 到了广泛的应用。但是锡铅焊料剪切强度低、抗蠕变和抗热疲劳能力差，会导致焊点过 早失效。近年来，随着科技界和公众环境意识的增强，对锡铅焊料危害的认识不断提高， 世界各地已经通过立法来禁止含铅等有害材料在微电子等工业领域的应用。早在上世纪 脉冲电镀法制备a u s n 凸点的研究 9 0 年代，美国就提出了反铅议案h r 一5 3 7 4 ( 美国国会) 、骷之6 3 7 和s - _ 3 9 1 。在2 0 0 3 年2 月l3 日，欧盟w e e e ( t h ew a s t ee l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce q u i p m e n t ，电子电气设 备废弃物) 和r o l l s ( r e s t r i c t i o no fh a z a r d o u sm a t e r i a l s ，有害物质限制法案) 规定，自 2 0 0 6 年7 月1 日起，在欧盟市上销售的全球任何地方生产的属于规定类别内的电子产品 中不得含铅。在日本，“家用电子回收法案 强调了对铅的限制和循环。j i e p ( j a p a n i n s t i t u t eo f e l e c t r o n i c sp a c k a g i n g ) 已经要求2 0 0 3 年新产品全部采用无铅焊锡，2 0 0 7 年彻 底废除电子产品中铅的使用。其它国家也纷纷立法限制铅等有害元素的使用，极大地促 进了无铅焊料的研究和更新换代的进程。中国于2 0 0 7 年3 月1 日起施行了电子信息 产品污染控制管理办法。上述原因都推动着世界范围内电子工业无铅化的发展进程。 表1 2 不同材料凸点的用途、组装温度和连接方式 t a b 1 2 a p p l i c a t i o nf i e l d s ，w e l d i n gt e m p e r a t u r e sa n db o n d i n gm o d e so fd i f f e r e n ts o l d e rb u m p m a t e r i a l s 1 2 5 芯片凸点制作工艺 形成凸点的工艺主要有蒸发溅射法、电镀法、化学镀法、机械打球法、激光法、置 球和模板印刷法、移植法、叠层制作法和柔性凸点制作法等【1 1 , 1 2 , 1 4 。 电镀法是国际上最为普遍且工艺成熟的凸点制作方法，相对于其他凸点制备方法， 电镀法具备加工工序少，工艺简单易行、成本低、易于批量生产、凸点一致性好以及可 以制备绝大部分凸点等优势。如图1 4 是典型的电镀凸点制作工艺流程。 大连理工大学硕十学位论文 图1 4 典型的电镀凸点制备工艺流程 f i g 1 4 s c h e m a t i cd i a g r a mo fb u m p sp r e p a r a t i o nb ye l e c t r o p l a t i n g 1 2 6 倒装焊用a u - s n 凸点性能及制备 图1 5a u s n - 元平衡相图 f i g 1 5 a u - s ne q u i l i b r i u mp h a s ed i a g r a m 图1 5 为金锡二元相图【1 5 】，图中有两个共晶成分：a u 2 0 w t s n 和a u 9 0 w t s n ， 后者因为性能较脆而不如前者应用广泛。a u 2 0 w t s n 合金共晶熔点2 7 8 ，属于硬焊 脉冲电镀法制备a u - s n 凸点的研究 料，但相比于其他的硬焊料的共晶温度如a u 3 1 5 w t s i ( 3 6 3 。c ) 和a u 1 2 w t ，g e ( 3 5 6 ) ，要低得多。a u - 2 0 w t s n 合金焊料是在熔点2 8 0 3 6 0 内唯一可以替代高熔点铅 基合金的焊料，并能够承受较高的处理温度且保证良好的抗蠕变性能和热疲劳特性。金 基焊料和共晶p b s n 焊料的性能比较如表1 3 所示【1 6 1 。 表1 3 金基焊料和共晶p b s n 焊料性能 t a b 1 3t h ep r o p e r t i e so fe u t e c t i ca u b a s e ds o l d e r sa n de u t e c t i ep b - s ns o l d e r a u 2 0 w t s n 焊料的优点主要有【1 7 , 1 8 】： ( 1 ) 钎焊温度适中仅比熔点高出2 0 , - - 3 0 。在钎焊过程中，在共晶点之上很小的 过热度就可以使合金熔化并润湿，另外，合金凝固过程也很快。因此，金锡合金的使用 能大大缩短整个钎焊周期。金锡合金的钎焊温度范围适用于对稳定性要求很高的元器件 组装，同时这些元器件也能承受随后在相对低一些温度利用无铅焊料的组装。这些焊料 的组装温度大约在2 6 0 。 ( 2 ) 高强度在室温条件下，金锡合金的屈服强度很高，即使在2 5 0 - 2 6 0 的温度 下，它的强度也能够胜任气密性的要求。材料的强度与一些高温钎焊材料相当，但是钎 焊过程可以在相对低得多的温度下完成。用a u 2 0 w t s n 焊料钎焊的接头，除具有高的 接头强度外，其接头强度不受热冲击的影响。 ( 3 ) 无需助焊剂由于合金成分中金占了很大比重，焊接时材料表面的氧化程度较 低，防止对元器件的污染。 ( 4 ) 良好的浸润且对镀金层无铅锡焊料的浸蚀程度很低，同时也没有像银那样的迁 徙现象性。 此外a u 2 0 w t s n 比常用的某些s n 基合金、p b 合金低温焊料具有更为优良的热导 性和抗蠕变性能，a u - 2 0 w t s n 还有高耐腐蚀性。因此，随着微电子技术的发展， a u 2 0 w t s n 合金焊料在高可靠电路封装、芯片焊接等方面的应用越来越多。 大连理工大学硕十学位论文 表1 4 室温下( 2 5 ) a u 和s n 在a u s n 合金中的扩散数据 t a b l e 1 4t h er o o mt e m p e r a t u r ed i f f u s i o nd a t ao f a ua n ds ni na u - s na l l o y s p h a s e d s n ( c m 2 s ) d a ( e m ) a u s n1 0 。1 4 l o 1 4 a u s n ，1 0 - 1 61 0 1 6 a u s n 4 1 0 1 5 1 0 1 5 s n 1 0 2 71 0 1 0 ib 族金属原子( 如c u 、a g 和a u ) 可以迅速向i i i a 和a 族金属原子( 如i n 、s n 、 p b ) 中扩散( 间隙机制) 。a u 原子通过间隙机制快速扩散进入富s n 区，而且晶界扩散 可以加速a u 的扩散速度。s n 在富a u 区的扩散是通过空位机制，室温下s n 在a u 中的 扩散比a u 在s n 中的扩散要低1 3 1 5 个数量级。a u 在a u s n 中的扩散速度大约为s n 的 三倍，此外，a u 在富锡相a u s n 2 和a u s n 4 中的扩散速度也比s n 快。因此，在a u 、s n 扩散偶中，a u 可以看做是活性的，s n 可以看做是惰性的。2 5 下外推得到的a u 、s n 的扩散数据如表1 4 示。 因为a u 向s n 中的扩散要快得多，所以在a u s n 扩散偶反应中最初形成的相为富 锡相a u s n 4 ，而不是富金相a u 5 s n 。己存在的大量a u s n 扩散偶实验中，可以观察到四 种稳定的金属间化合物a u s s n ( c ：= ，1 6 7a t s n ) 、a u s n ( 6 ，5 0a t s n ) 、a u s n ：( ， 6 6 7a t s n ) 、a u s n 4 ( 1 1 ，8 0a t s n ) 相【1 9 之1 1 。大量研究结果表明，a u s n 扩散初始态 的组成相是一致的。在a u s n 界面处，因为有较高的扩散率，在室温下纯金锡就开始扩 散并形成金属间化合物，a u 倾向于通过s n 晶界进入s n 层，从而a u s n 4 形核并逐渐向 s n 晶粒中长大【2 引。 【a u + s n = a u s r l 4 ( 1 1 ) 其中， a u 是指通过扩散进入s n 中的a u 而不是纯a u 。a u s n 相是在a u a u s n 4 界 面处形成，并消耗掉一部分a u s m 和a u 。 3 a u + a u s n 4 = 4 a u s n ( 1 2 ) 随着扩散时间延长，a u s n 相形成层状后，a u 就要扩散通过a u s n 层之后，再和a u s n 4 发生反应。 3 a u + a u s n 4 = 4 a u s n ( 1 3 ) 反应1 2 和1 3 的开始所需的时间极短，a u s n 4 和a u s n 相的形成非常快，从几十秒 到几分钟不等，并且同时进行。如果s n 层比较薄，反应1 1 停止，而只有反应1 3 进行， 继续消耗a u s n 4 ，则只剩下靠近a u 层的a u s n 层。如果s n 层足够厚，随着反应的进行， 脉冲电镀法制备a u s n 凸点的研究 a u s n 层厚度增加，因而到达a u s n 4 a u s n 界面的a u 数量减少，反应1 3 不能持续下去， 则在a u s n 4 a u s n 界面处会形成a u s n 2 来代替a u s n 。 【a u q - - a u s n 4 = 2 a u s n 2 ( 1 4 ) 随着随着反应1 1 、1