（材料加工工程专业论文）cusn凸点的倒装焊工艺研究.pdf

哈尔滨工业大学硕士学位论文 摘要 本课题根据三维堆垛凸点倒装焊技术发展的需要，对铜凸点的电镀制作工 艺以及铜凸点上蒸镀锡后得到的c u s n 凸点的倒装焊连接工艺进行了研究。通 过研究在不同的金属化层( u b m ) 上电镀铜凸点的工艺，找到了铜凸点电镀 的最佳方案，制作出均匀的铜凸点。成功的实现了c u s n 凸点与表面镀锡的金 属化层的焊点接触电阻失败率为零的倒装焊连接。观察了焊点组织，并对焊点 的电性能、抗剪切性能、再流性能进行了分析。 进行了凸点的制作工艺研究，使用a s t e p 仪器，测量了凸点的厚度，成功 地制作出5 1 x m 和1 0 9 m 高、1 0 0 9 m x l 0 0 1 x m 的铜凸点。通过改变凸点的倒装焊 工艺，实现了凸点的成功连接。 进行了2 0 0 、2 4 0 连接实验。2 0 0 合格试样进行2 4 0 2 7 0 。c 的再流 处理，对比分析了三种热处理条件下焊点的电性能和抗剪性能，并对焊点组织 进行了定性分析。结果表明2 0 0 、2 4 0 v 时的焊点接触电阻都在1 0 m f ) 左右， 而再流处理后的接触电阻略有升高，再流后焊点的抗剪强度有所下降。 焊点组织分析发现，靠近铜凸点及铜金属化层一侧以富铜相及c u 3 s n 化合 物为主，靠近钎料层锡一侧为富锡相和c u 6 s n 5 化合物，2 4 0 倒装焊和 2 4 0 2 7 0 的再流处理后的c u 3 s n 层有变厚的趋势。 凸点的均匀度对连接质量、焊点的电性能和抗剪性能等有很大影响，凸点 的制作是c u s n 凸点倒装焊工艺中的关键工序。凸点的高热膨胀系数容易使凸 点与金属化层分离，导致传导路径及接触面积降低，从而使焊点的电性能和抗 剪性能下降，同时再流设备的平稳程度对再流后焊点的性能也有影响。 关键词倒装焊；凸点；金属化层( u b m ) ；接触电阻；抗剪强度 哈尔滨工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t om e e tt h en e e do f t h ed e v e l o p m e n to f 3 dc h i ps t a c k i n gb y f l i pc h i pb o n d i n g u s i n gm e t a lb u m p s ，t h ec u s nb u m pf o r m a t i o np r o c e s sa n di t sf l i pc h i pb o n d i n g p r o c e s sa r es t u d i e di nt h i sp a p e r n eb e s tm e t h o do fc u s nb m n pe l e c t r op l a t i n gi s f o u n db y s t u d y i n gt h ec up l a t i n gp r o c e s so nd i f f e r e n tu b m ( u n d e rb u m p m e t a l l i z a t i o n ) a n dt h eu n i f o r mc ub u m p sa r ep l a t e d t h ec u s nb u m pb o n d i n g p r o c e s sw i t h o u ta n y 筋l u r eb u m pi ss u c c e e d e d t h ei n t e r f a c i a lm i c r o s t r u c t u r e so f t h e j o i n ta r eo b s e r v e da n dt h es o l d e rj o i u t s e l e c t r i c a lf e a t u r e s ，s h e a rs t r e n g t h sa n d f e a t u r e sa f t e rr e f l o wp r o c e s sa r ea n a l y z e d t h eb u m p i n gp r o c e s si ss t u d i e d t h eb u m p s h e i g h t sa r em e a s u r e db ya s t e p e q u i p m e n t t h e5 ma n d1 0 9 i nh i 曲，1 0 0 p m x l 0 0 9 ml o n gb u m p sa r ew e l lf o r m e d a n dt h eb u m p sb o n d i n gp r o c e s si ss u c c e e d e db yc h a n g i n gb o n d i n gm e t h o d t h e2 0 0 。c 2 4 0 * cb o n d i n ga n d2 4 0 。c - 2 7 0 cr e f l o wt r e a t m e n ta r es t u d i e d 1 1 1 e b u m pj o i n t s e l e c t r i c a la n ds h e a rf e a t u r e sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d t h er e s u l t s s h o wt h a t 廿l ec o n t a c tr e s i s t a n c eo fb o t h2 0 0 a n d2 4 0 a r ea b o u t1 0 m f t h e c o n t a c tr e s i s t a n c ea f t e rr e f l o wi si n c r e a s e dal i t t l eb i t t h es h e a rs t r e n g t ha f t e rr e f l o w d e c r e a s e ds o m e w h a t t h er e s u l t sa f t e ri n t e r f a c i a lm i c r o s t r u c t u r e sa n a l y s i ss h o wt h a tt h e r ea p p e a r sr i c h c up h a s ea n dc u 3 s nc l o s et oc ub u m pa n dc up a dl a y e ra n dt h e r ea p p e a r sr i c hs n a n dc u 6 s n 5c l o s et os nl a y e r a f t e r2 4 0 a n dr e f l o wt r e a t m e n t t h ec u 3 s nl a y e r b e c o m e st h i c k e r t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h eu n i f o r m i t yo ft h eb u m p sh a sl a r g ee f f e c to nt h e b o n d i n gq u a l i t y , b u m p se l e c t r i c a lf e a t u r ea n ds h e a rs t r e n g t h 1 1 1 eb u m p i n gp r o c e s s i s t h ek e yp r o c e s sd u r i n gt h ec u s nb u m pf l i pc h i pb o n d i n gp r o c e s s t h eh i g h e r c o e f f i c i e n to ft h e r m a le x p a n s i o n ，t h ei n d u c e dt h e r m a ls t r e s sw i l lt r yt ol i f tt h eb u m p f r o mt h ep a da n dd e c r e a s et h ec o n t a c ta r e ao ft h ec o n d u c t i v ep a t ha n dc a u s et h e d e c r e a s eo ft h ee l e c t r i c a la n ds h e a rf e a t u r e s b e s i d e s ，t h eu n s t a b l eo ft h er e f l o w e q u i p m e n ta l s oh a v es o m eb a de f f e c t so i lt h ef e a t u r e so f t h es o l d e rj o i n t s k e yw o r d sf l i pc h i pb o n d i n g ；b u m p ；u b m ( u n d e rb u m pm e t a l l i z a t i o n ) ；c o n t a c t r e s i s t a n c e ；s h e a rs t r e n g t h i i - 1 1 课题来源及研究意义 第1 章绪论 本课题来源于韩国汉阳大学微电子封装与薄膜材料实验室的y o u n g - h ok i m 教授与k a i s t 等高校合作的e r c ( e l e c t r o n i cr e s e a r c hc e n t r e ) 项目。 日本a s e t ( a s s o c i a t i o no fs u p e r - a d v m a c e de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ) 研究中 心发明的三维堆垛技术【l 】( 3 dc h i ps t a c k i n g ) 实现了封装系统的高强度和高 性能，大大提高了芯片的功能。该研究中心研制的2 0 1 x m 间距的低阻抗芯片， 通过垂直的铜通孔连接起到了如下的作用：宽的信号传输及短的电流路径，有 助于高频率的信号传输、强能量供给以及增加了地线的稳定。这种垂直连接是 通过芯片内部连接完成的，包括通过铜锡扩散作用使凸点连接，从而使通孔在 芯片背表面不形成凸点的情况下连接起来，可在芯片之间获得微小的间隙。 a s e t 利用铜锡扩散的原理实现了芯片间的微连接，如图1 - 1 所示。但是 在倒装焊连接过程中需要采用氩气保护以及在较高的温度和压力下进行，这样 会对芯片和基板( s u b s 仃a t e ) 造成损害四。由于a s e t 技术存在这种问题，研究人 员希望通过选择s n 和s r d a g 作为表面覆盖层，在较低的温度和压力下实现 c u s n 凸点与蒸镀s n 的u b m ，和c u s n a g 凸点与蒸镀s n 和a g 的u b m 的 倒装焊连接。因此，本实验的目的是研究在t i c u 、t i c u a u 的u b m 上通过 电镀制备c u 凸点的工艺，实现c u 凸点的均匀电镀，通过蒸镀方法在凸点和 t i c u 为u b m 的表面蒸镀s n ，并对c u s n 凸点的倒装焊连接工艺进行研究。 图1 - 1 a s e t 的方法啪 哈尔滨工业大学硕士学位论文 1 2 电子封装及其发展现状 电子封装是伴随着电路、器件和元件的产生而产生的，并且随其发展而发 展，最终发展成当今的封装行业。目前，集成电路( i n t e g r a t e dc i r c u i t + i c ) 封 装概念已由器件封装扩展为电子封装，包括从芯片级封装到组装在印刷线路板 ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d - p c b ) 的全过程。理论上，晶片规模集成( w m ts c a l e i n t e g r a t i o n w s i ) ，即在一个晶片上制作出整个系统或次级系统并进行封装， 最后切割开来成为一个个器件，是最理想化的微电子封装。然而，由于集成电 路工艺技术所限，导致w s i 成品率低，迄今为止，微电子产业一般仍采用先 将晶片划分为一系列单个芯片，进行各个芯片各自封装后，再进一步组装成系 统，因此形成了微电子封装系统中的多级封装组装体系。图l 一2 显示出了前三 级封装组装层次图例，第一级为芯片级封装，第二级为电路板( 或卡) 级组装， 第三级为母板组装 4 ，5 1 。电子封装有四个主要的功能：信号的分散、能量的分 散、热耗散及元部件的保护和内部连接。发展电子封装是为了使系统小型化、 提高性能、提高可靠性和降低成本。要实现小型化，必然使电子封装向高密 度、细节距发展，必然从周边引线排列方式向面阵引线方式发展；要实现高性 能，就必然使电子封装从引线键合向倒装焊的方向发展；要达到高可靠性，必 然要研究电子封装过程中可以减小应力的新结构和新材料；要实现低成本，就 要使电子封装向采用塑料封装发展，并减少封装体积等。电子封装当今的发展 有几大特点：向高密度发展，向表面贴装技术发展，从单芯片封装向多芯片封 装方向发展，从陶瓷封装向塑料封装方向发展，先发展后道封装再发展芯片封 装阿】。 图1 - 2 电子封装系统中前三级封装层次图例【4 5 】 哈尔滨工业大学硕士学位论文 1 3 芯片级封装的方法和发展现状 芯片级封装也称为一级封装，是提供芯片与下一级连接之间所需要的连 接，比如印刷电路板或基板的封装。芯片级连接可以通过三种基本的连接技术 来实现。它包括：引线键合法( w b ) ，载带自动焊( t a b ) 和倒装焊 ( f c b ) 。 1 3 1 引线键合( w b ) 引线键合是一种芯片级的连接技术。它是指超细的引线通过热压，超声波 或者热压超声波方法把i c 线路焊盘与相匹配的封装或基板焊盘连接在一起的 方法。在1 9 9 9 年，引线键合法在芯片级的连接中的应用达9 0 以上】。引线 连接在高容量产业中应用有两种主要的类型：金丝球焊，它在引线键合中占 9 5 以上；金或铝楔焊。引线键合的优点有：高的流变性的芯片连接过程；很 大的工业基础设施支持该技术；在设备、工具和材料技术里的发展快速等。引 线键合的缺点主要有：引线连接中点对点连接的过程导致连接速度缓慢；芯片 与封装互连引线较长，导致电性能降低；芯片的微连接需要更多的引脚【9 】。到 1 9 9 9 年，引线键合的i o 端口最大约1 0 0 0 个1 4 j 。 1 3 2 载带自动焊( t a b l t a b 是一种在载带上封装和互连i c s 的i c 封装技术。它是全自动的焊接 技术：c u 引线框架的一端连到芯片( i c ) 上，另一端连在下一级封装或者p c b 上【1 0 】。由于高速的滚动式技术，使得它与引线键合技术相比有如下的优点：更 小的芯片尺寸、更高的热传输能力、处理更多的i o 数目以及可以使载带的局 部加厚等。但它的不足是：随着i o 数目的增加封装尺寸也要增加；很难进行 二次重装；芯片与基板的共面性以及长的平行连接导致电性能较差等1 9 j 。 1 3 3 倒装焊( f c b l 倒装焊工艺首先是由i b m 公司在1 9 6 2 年作为固体逻辑技术对陶瓷基板提 出的1 1 】。随后在1 9 7 0 年，i b m 将其归纳为可控坍塌芯片连接技术( c o n t r o l l e d c o l l a p s ec h i pc o n n e x i o n c 4 ) ，即焊料凸点( s o l d e rb 砌p ) 制作技术【1 2 】。c 4 技术 是把倒装芯片和互连衬底靠可控的焊料塌陷而连接在一起，该方法可以减少整 哈尔滨工业大学硕士学位论文 ! ! e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! s ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! s ! ! 自! ! ! ! 自e ! ! ! ：! ! ! ! 体尺寸3 0 5 0 ，电性能改善1 0 3 0 ，并具有高的性能和可靠性【6 。图 1 - 3 为c 4 技术的示意图。 图1 - 3 i b m 的c 4 技术【1 2 1 早在2 0 世纪6 0 年代末，i b m 公司就在陶瓷基板上大量应用倒装焊技术。在 7 0 年代初汽车工业也开始在陶瓷上使用倒装焊连接。到今天，倒装焊技术已经 广泛的应用于手表、移动电话、便携式设备、磁盘驱动装置、助听器、l c d 显 示器、汽车发动机控制装置以及大型计算机等方面。倒装焊封装数量在1 9 9 5 年 已经超过了5 0 亿，而1 9 9 7 年已经接近6 0 亿【1 3 】。倒装焊封装技术具有精度高、形 成的混合集成芯片占用体积小、输入输出密度高、互连线短和引线寄生参数小 等优点i j 4 ，l ”。与w b 和t a b 相l k f c b 方法具有很多优点，比如：由于具有更低 的阻抗、电容和电感应系数使其具有更优良的电性能；更高的可靠性；容易的 重复使用性( 如果某个i c 在封装过程中失效，它可以被移除掉而新的i c 可以在 同一个陶瓷基板上焊接) ；改进的芯片可以在多片模块上被替换使用等。然而 倒装焊技术的一些缺点也是不能忽视的：基础设施的建立还不够完善：晶片上 制作凸点仍然十分昂贵；裸芯片的检测很难；要求较高的封装精确度；某些基 板可靠性差以及不可维修等f 9 , 1 6 。然而由于引线键合的成本是随着i 0 的数目增 加而递增的，而倒装焊的成本实际上是与i 0 数目独立的，所以当i o 数目非常 多时，倒装焊的连接方法就成了唯一的选择【l “。特别是在光电子封装过程中， 倒装焊的封装技术可以使光电子器件的光端口和电端口分别位于芯片的正反两 个面上，这将大大减少目前引线键合的互连方式给器件的光耦合带来的不便。 在采用再流焊接的倒装焊技术中，利用焊料熔融后液态焊料的表面张力产生的 喻尔滨工业大学硕士学位论文 自对准效应，可以实现精度非常高的无源对准。这些特点对于微光电子模块中 光路的连接与耦合都是非常有利的 1 5 】。 倒装焊的系统主要有四个功能区域；金属化层；芯片上凸点；密封剂和基 板金属化【 】。图1 - 4 为典型的芯片上凸点结构。 图1 4 典型的芯片上凸点结构 u b m 是处于芯片上铝压块与凸点之间的金属层。它通常由三层组成：粘 附层、阻挡层和凸点润湿层。粘附层：与铝层( 或硅层) 和钝化层的粘附性 好，保证和铝层、硅层之间形成低阻抗接触，且热膨胀系数相近，热应力小， 一般采用c r 、t i 、v 和t i w 等。阻挡层：能阻止铅锡化合物间或金与铝、硅 之间的相互扩散，一般选用n i 、c u 、p d 和p t 等。凸点润湿层：能和凸点材料 相浸润，可焊接性好，且不形成有害的金属问化合物，能保护n i 和c u 等不被 氧化、污染，一般选用很薄的a m 或a g 膜或a u 的合金膜【1 7 , 1 8 o u b m 的制 作方法常用的有：磁控溅射、蒸镀、电镀及化学镀等u ”。 芯片上的凸点在倒装焊连接中起到三个作用：实现芯片与基板之间的电气 连接；热量从芯片上耗散的通道；芯片与基板之间的结构上的连接部件。目前 倒装设备制作凸点时常使用的材料是钎料。高铅的钎料特别是9 5 p b 5 s n 和 9 7 p b 3 s n 最普遍的应用于氧化铝陶瓷基板【”。由于铅对环境的污染，电子封装 产业中近年来正在努力寻找无铅钎料合金来替代有铅钎料。凸点的制作材料也 在逐渐向无铅化发展，人们在不断的探索替代铅的金属。目前主要有、银和铜 等金属【2 0 埘 。图1 5 为倒装焊工艺中的几种接头类型举例。 哈尔滨工业大学硕士学位论文 图1 。5 倒装焊的几种不同接头类型举例【1 6 1 1 4 课题研究背景及主要方法 1 4 13 d 技术及其发展现状 随着便携式电子系统的发展，能量低重量轻的超大规模集成电路的封装技 术急需发展。军事以及航空应用方面也同样面临着这样的需求。为了满足这个 需求，许多新的3 d 封装技术出现，从而裸芯片和多片组件( m u l t i c h i pm o d u l e - m c m ) 沿着z 轴方向堆叠，使得封装在致密度方面有了很大的进步。由于z 平 面技术的发展，使得总的连接长度大大缩短，寄生电容和系统的能量耗废可以 降低3 0 左右【2 4 1 。据报道，使用3 d 技术与传统的封装相比可以使尺寸和重量 降低4 0 到5 0 倍j ”。 近年来，一些3 d 堆垛技术不断的出现【2 5 , 2 6 1 。目前常用的封装堆垛技术主要 有：模片键合、引线键合以及造型。然而，长的芯片与芯片互连的引线会限制 高频耦合性能。为了解决这些问题，另一种3 d 堆垛技术是基于凸点对凸点的连 接过程的芯片尺度堆垛。它可以减小互连长度而且实现超细间距的连接瞄“”1 。 如图1 - 6 所示a ) 、b ) 分别为引线键合堆垛和钎料凸点堆垛弘o o “j 。 a 1 引线键合堆垛 图 - 63 d 堆垛实例 b ) 钎料凸点堆垛 在1 9 9 9 年，日本国家项目“超高强度电子系统封装”开始实施 3 3 1 。这是 日本第一个集中在电子器件和系统之间的技术的项目【3 】。日本a s e t 研究中心 近年来一直致力于3 d 技术的开发。他们开发了在薄芯片上的芯片尺度上的大 规模集成电路3 d 堆垛，实现了下一代封装系统的通用性3 4 。3 6 1 。 1 4 2 实验背景及方法 德国i z m 的a m a i nk l u m p p 等人采用w 填充通孔，电镀铜凸点，将凸点与 a 删j c u s n 衬底进行连接，并且采用如图1 7 a ) 的电性能测试方式得到o 5 q 的 偏差在1 5 以内的接触电阻【3 7 】。日本t s u k u b ar e s e a r c h c e n t e ro fa s e t 中心的 k e n it a k a h a s h i 等人研究了基于铜凸点表面化学镀锡合金层的凸点与凸点倒装 焊工艺1 5 1 。图1 7 b ) 为i z m 的方法；图l - 8 为a s e t 的方法。 曲电性能测试图 b ) i z m 凸点连接方法 图1 。7i z m 的实验方法【3 7 】 哈尔滨工业大学硕士学位论文 图1 - 8a s e t 的方法【5 】 a s e t 的三维堆垛方法是在s n 熔点以上，较高的温度和压力的作用下，对 凸点进行连接。汉阳大学的y o u n g h ok i m 教授的微电子封装实验室在a s e t 这 一理论的前提下，提出了一种新的连接方法：在铜凸点表面镀上锡或锡银，制 成c u s n a g 年l l c u s n 凸点，在低于其熔点的温度，较低的压力下，利用铜锡以 及铜锡银之间的扩散作用，使其实现连接。并且迸行了一些可靠性研究，初步 得到了较好的结果。在电镀的铜凸点上通过蒸镀形成锡和银金属薄层，锡主要 是钎料层，而银则起到防止锡发生氧化的作用。使用这个方法不需要氩气清 洗，而且是根据铜锡和铜锡银的固相扩散原理实现的p ”。 1 5 本课题的主要研究内容和目标 本课题的主要研究内容是研究t i c u 、 t i c “a u 金属化层( l i b m ) 的溅 射工艺；锡的蒸镀工艺；铜凸点的电镀制作工艺；得到均匀的铜凸点后，在铜 凸点表面蒸镀锡。然后采用不同的实验条件进行c u s n 凸点与表面镀锡的 t c u 的u b m 的倒装焊连接实验。优化焊接工艺，得到最佳的、稳定的接触 电阻。对合格的试样进行2 4 0 c 2 7 0 之间的再流实验，进行电性能，抗剪性 能及组织等对比分析。 实验目标是实现均匀的铜凸点的电镀工艺，实现2 0 0 下c u s n 凸点与表 面镀锡的t i c u 的u b m 的零接触电阻失败率的倒装焊连接。找到2 0 0 。c 下固 相扩散连接、2 4 0 c 液相扩散连接和2 0 0 。c 连接试样在2 4 0 。c 2 7 0 下再流处理 后焊点的电性能，抗剪性能及焊点组织的变化趋势。 哈尔滨工业大学硕士学位论文 第2 章凸点的制作工艺研究 2 1 凸点制作流程图 图2 - 1 显示了凸点的整个制作过程。为了叙述方便，本文中称 吲c u a l l c “s n 为下芯片，称t i c u s n 金属化层为上芯片。上下芯片的制作过 程将在下文分别叙述。 2 2 晶片切割与清洗 图2 - 1 凸点制作的整个过程模拟图 试验的晶片选用表面有二氧化硅氧化层的硅晶片。芯片封装工艺对芯片的 表面清洁度要求很高，需要在无尘实验室将整片二氧化硅晶片分切成4 片 5 c m 5 c m 的晶片。将晶片按顺序依次放入三氯乙烯、丙酮、乙醇中各进行 5 m i n 超声清洗，然后再放在去离子水中进行5 m i n 超声清洗，最后用氮气清洗 吹干放入试样盒中。 哈尔滨工业大学硕士学位论文 2 3 金属化层沉积 2 3 1 磁控溅射原理 u b m 的形成采用磁控溅射方法沉积金属。如图2 2 所示，磁控溅射主要 是利用辉光n 0 邑( g l o wd i s c h a r g e ) 将氩气( a f ) 离子撞击靶材( t a r g e t ) 表n ，靶材的 原子被弹出而堆积在基板表面形成薄膜。溅镀薄膜的性质、均匀度都比蒸镀薄 膜来得好，但是镀膜速度却比蒸镀慢很多。 图2 - 2 磁控溅射原理图 新型的溅射设备几乎都使用强力磁铁使电子成螺旋状运动以加速靶材周围 的氩气离子化，增加靶与氩气离子间的撞击机率，提高溅射沉积的速率。一般 金属镀膜大都采用直流溅射，而不导电的陶瓷材料则使用r f 交流溅射，基本 的原理是在真空中利用辉光放电将氩气离子撞击靶材表面，电浆中的阳离子会 加速冲向作为被溅镀材的负电极表面，这个冲击将使靶材的物质飞出而沉积在 基板上形成薄膜。一般来说，利用溅镀制程进行薄膜披覆有几项特点：( 1 ) 金 属、合金或绝缘物均可做成薄膜材料。( 2 ) 在适当的设定条件下可将多元复杂 的靶材制作出同一组成的薄膜。( 3 ) 利用放电气氛中加入氧或其它的活性气 体，可以制作靶材物质与气体分子的混合物或化合物。( 4 ) 靶材输入电流及溅 射时间可以控制，容易得到高精度的膜厚。( 5 ) 与其他方法比较更利于生产大 面积的均一薄膜。( 6 ) 溅射粒子几不受重力影响，靶材与基板位置可自由安 排。( 7 ) 基板与膜的附着强度是一般蒸镀膜的1 0 倍以上，且由于溅射粒子带 有高能量，在成膜面会继续表面扩散两得到硬且致密的薄膜，同时此高能量使 哈尔滨工业大学硕士学位论文 ! 皇皇詈宣_ l 矗蕾篁篁曾墨皇烹罩詈曼鼍曼曼曼! 鼍曼詈曼詈皇曼詈! ! ! ! ! ! ! ! 曼! ! ! ! ! 曼詈自墨 基板只要较低的温度即可得到结晶膜。( 8 ) 薄膜形成初期成核密度高，可生产 1 0 n m 以下的极薄连续膜。( 9 ) 靶材的寿命长，可长时间自动化连续生产。 ( 1 0 ) 靶材可制作成各种形状，配合机台的特殊设计可达到更好的控制及最有 效率的生产。 2 3 2 试验方法 基于上述原理，在无尘实验室使用直流磁控溅射镀膜机，如图2 3 所示。 依次沉积0 0 5 9 m 的钛，1 岬的铜，o 0 5 1 j m 的金。其中钛为粘附层，与硅层以 及钝化层的粘附性好：铜为阻挡层，阻止金与硅层之间的扩散；金为润湿层， 能与焊点材料相浸润，另外可以防止铜表面氧化。 图2 - 3 直流磁控溅射镀膜机 磁控溅射镀膜机在使用过程中要注意以下几点：首先要严格遵守设备操作 规范，每一步要严格按规范来进行。工作过程中的真空度要保持在3 0 1 0 缶 t o r t 以上，金属靶的位置要与真空舱的中心对准，每次试验前时都要用抽真空 吸尘器清洗真空室，在沉积金属时一定注意将试样与金属靶的中心对准，否则 会导致金属层厚度不均匀，在后续的腐蚀过程中会出现腐蚀过度的情况。 哈尔滨工业大学硕士学位论文 葛皇置墨墨拦皇詈詈皇曼! 墨! 烹! ! 詈皇皇l l 皇篁曼詈詈墨毫! ! 鼍寰! 曼! 曼詈! ! 詈曼! ! ! 量 2 4 光刻掩膜 如图2 - 4 所示a ) 、b ) 分别为实验用的金属线光刻掩膜和凸点光刻掩膜示 意图。分别用于形成金属线( m e t a ll i n e ) 和形成凸点槽( b u m p h o l e ) 。 a ) 金属线光刻掩膜b ) 凸点光刻掩膜 图2 - 4 凸点制作的光刻掩膜 2 5 金属线和凸点槽制作 2 5 1 金属线的蚀刻过程 采用光刻法来实现金属线的蚀刻。选用的光致抗蚀剂( p h o t o r e s i s t p r ) 为 a z 9 2 4 0 。试验在无尘实验室进行。首先在沉积过u b m 的晶片上均匀的涂上 2 u m 的薄p r ( a z 9 2 4 0 ) ，此过程使用旋转涂镀机来完成。具体参数为：先 5 0 0 r p m 进行l o s ，然后3 0 0 0 r p m 进行3 0 s ，再在1 0 0 的加热板上加热1 r a i n 。 然后在定位器上进行调节好位置，设定的曝光时间为7 s 。曝光后用a z 3 0 0 k 进 行显影。接着在加热板上再加热2 m i n ，使p r 充分凝固。在金和铜的腐蚀溶液 中将金属线腐蚀出来。腐蚀液成分为碘化钾：碘水：去离子水= 3 5 ：1 7 5 ：1 0 和硝酸 盐酸：去离子水= 1 ：3 ：3 。腐蚀后用丙酮去除表面的薄p r ，用去离子水洗净，氮 气吹干。图2 5 ，图2 - 6 分别为旋转涂镀机和光刻机。图2 7 为金表面腐蚀后 的金属线的光学照片。 哈尔滨工业大学硕士学位论文 图2 - 5 旋转涂敷机 a ) 3 2 倍 图2 7 金表面腐蚀后的金属线 图2 6 光刻机 b ) 1 0 0 倍 金属线腐蚀过程：铜表面的金属线的腐蚀，使用的腐蚀液为去离子水：硝 酸= 2 ：1 ，因为硝酸容易分解，所以每批试样进行腐蚀时应该重新配制腐蚀液， 腐蚀过程中要仔细观察试样表面，防止腐蚀过度而对于金表面的腐蚀。由于金 表面不易腐蚀，腐蚀过程中，先在碘化钾，碘水和去离子水腐蚀液中放置约 4 0 s ，然后用去离子水清洗，观察表面呈灰白色时放到硝酸，盐酸和去离子水 溶液中缓慢摇晃，直到试样表面露出铜的颜色，将试样取出放到去离子水中洗 净，将表面残余的金腐蚀后的产物吹掉，放到显微镜下观察金属线，防止有连 着的金属线存在，如果没有腐蚀干净，需要小心的用腐蚀液局部腐蚀。另外腐 蚀时还要观察试样哪部分金属层厚，哪部分薄，因为溅射的金属不是完全均匀 的，要将腐蚀速度快的部分放在上面，腐蚀慢的部分放入腐蚀液底部。 2 5 2 凸点槽的蚀刻 与金属线的蚀刻方法类似，同样需要在无尘实验室进行，因为光致抗蚀剂 必须避免日光照射。凸点槽蚀刻选择的p r 为a z 9 2 6 0 。在腐蚀过的晶片上利 用旋转涂镀机均匀的涂上2 0 b u n 的p r 。( 参数为；3 0 0 r p m 转动1 0 s ，1 0 0 0 r p m 转动3 0 s ) 之后将试样放在1 0 0 的加热炉中加热5 m i n 使得p r 固化。在校准 仪上调好晶片与凸点光刻掩膜的位置，曝光2 0 0 s 。然后在a z 4 0 0 k 中进行显 影，时间在3 - - 4 m i n 之间。然后用去离子水冲洗，用氮气吹干。图2 8 显示了 蚀刻后的凸点槽的形貌。 a ) 3 2 倍 2 6 铜凸点电镀工艺研究 2 6 1 铜电镀原理 图2 - 8 凸点槽形貌 b ) 1 0 0 倍 电镀是指借助外界直流电的作用，在溶液中进行电解反应，使导电体如金 属的表面沉积金属或合金层。铜电镀主要是在主要成分为硫酸铜溶液的电解液 中进行电解【3 9 1 。图2 - 9 为电镀装置示意图。 ，： 一：，塑鋈三些堡丝塑圣 ：，。，。一一， 图2 - 9 电镀装置示意图 铜电镀原理及发生的主要反应：试验采用硫酸铜镀液来电镀铜，硫酸铜镀 液主要有硫酸铜、硫酸、水和一些添加剂，具体镀液配方及配置方法将在后面 叙述。硫酸铜是铜离子c u 2 + 的来源，当溶解于水中会离解出铜离子，铜离子会 在阴极( 工件) 还原( 得到电子) 沉积成金属铜。沉积过程会受到镀液的状态 的影响如铜离子浓度、酸碱度( p h 值) 、温度、搅拌、电流、添加剂等影响。 试验采用铜板做阳极，试件做阴极。 阴极主要反应：c u 2 + ( 1 ) + 2 e - - - c u ( s ) l 阳极主要反应：c u ( s ) l 2 e c u ”( 1 ) 此外，由于整个镀液主要含有水，也会发生水电解产生氢气( 在阴极) 和 氧气( 在阳极) 的副反应。 阴极副反应：2 h 3 0 + 2 e h 2 + 2 h 2 0 ( 1 ) 阳极副反应：6 1 - 1 2 0 ( 1 ) - - * 0 2 + 4 h 3 0 + 4 e 从而在工件的表面覆盖了一层金属铜。但由于加入一些添加剂来提高镀层 的光亮度及平整度等，使得实际的情况是比较复杂的。采用的电镀设备如图2 1 0 。 哈尔滨工业大学硕士学位论文 e = ! ! ! ! ! ! ! ! 自! ! ! ! e ! ! _ _ _ - e e l e _ e g g ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! i e ! ! ! ! ! ! ! i 图2 “1 0 电镀设备 2 6 2 铜电镀液成分及配制方法 试验采用的铜电镀液的成分如表2 一l 。配制过程为将2 0 l 的杯子清洗干 净，擦干后倒入2 0 l 去离子水，使用电子天平量出6 2 4 2 x 2 9 的 c u s 0 4 5 h 2 0 ，放入水中。量取浓硫酸( 白色瓶子) 5 5 。6 x 2 m l ，用1 0 0 m l 的量 筒量取两次。量取c u c l 20 2 x 2 = 0 4 9 倒入瓶中，量取0 3 x 2 = 0 6 9 的p e g 倒入 瓶中。把m p s a 配成1 l 的0 1 7 8 9 的溶液，用针管从中取出1 0 m l 倒入瓶中。 注意每步都要等到粉末彻底溶化才能进行下一步操作。配制完成之后经过连 续搅拌2 4 小时后使用。 表2 - 1 铜电镀液成分 成分含量 c u s 0 4 5 h 2 0 h ，s 0 4 6 2 4 2 鲋 5 5 6 m l 1 c u c l 2 0 2 鲋 p e g ( p o l y e t h y l e n eg l y c 0 1 ) 0 3 9 l m ! ! 垒q ：翌! 兰型! ：! ：鬯竺! 竺! ! ! ! 坐21 1 p e 翌 2 6 3 铜凸点的电镀 2 6 3 1t i c u 作为u b m 的铜凸点的电镀 参考了a s e t 及实验室的前辈的方法，试验首先采用了t i c u 作为 u b m ，进行了铜凸点的电镀工艺的研究以及芯片的连接实验。成功的在t i c u 作为u b m 的芯片上电镀5 岫的均匀的铜凸点。凸点尺寸为1 0 0 i _ t m 1 0 0 9 i n 。 以t i c u 为u b m ，只是在进行金属线腐蚀的时候与金表面的腐蚀有区别。铜 金属线腐蚀的腐蚀液成分为硝酸：去离子水= 1 ：2 。 经过多次试验测试，最终选定的实验参数为：电流强度5 5 m a c m 2 ，电镀 时间：3 0 m i n ，电镀高度5 m ，电镀温度为室温。表2 2 为试样上凸点厚度分 布情况，图2 - 1 1 为一个试样上的五个芯片的厚度对比图。其中电流强度为 5 5 m a c m 2 。 表2 - 2 试样上各个凸点厚度分布情况( u m ) 芯片测量值1 测量值2 测量值3 测量值4 测量值5 测量值6 平均值 团口固 口固口 囡口固 图2 - 1 1 试样上的芯片之间凸点厚度对比 7 3 ， 2 9 一 钾 站 铊 引 们一 4 5 5 3 4 一 伸 凹 ! 伸一 4 8 5 9 6 4 5 5 3 4 3 9 5 4 一 鼹 如 叭 一 4 5 5 3 4 3 8 2 9 4 一 蛇 他 的 盯 们一 4 5 5 3 4 1 l o 1 2 一 铊 跎 一 4 5 5 3 4 一 鲫 一 4 8 4 8 6 4 5 5 3 4 3 9 9 o 9 一 盯 “ 鸲 一 4 5 5 3 4 凸点的厚度采用a s t e p 仪器进行测量。同一芯片上的凸点高度偏差在5 以内，符合标准。图2 1 2 为铜凸点的光学照片。 砷3 2 倍 c ) 1 0 0 倍 图2 1 2 铜凸点的光学照片 5 0 倍 d 12 0 0 倍 通过试验发现，当选择的电镀参数合理的时候铜金属化层表面电镀铜的效 果很好，表面均匀。 2 6 3 2t i c u a u 作为u b m 的铜凸点的电镀 虽然可以在铜金属化层表面电镀出比较均匀的铜凸点，但是在后续的倒装 焊连接试验中发现，采用2 0 0 条件下直接焊接时，使得n c a 未等上芯片与 下芯片连接时已经凝固，凸点连接难以达到零失效率的结果。当采取从室温升 温至2 0 0 焊接时，虽然上芯片与下芯片可以连接，但是由于试验是在空气环 境下进行，测试芯片的铜金属线表面容易氧化，也使得很难准确测量出凸点的 接触电阻。为了解决这个问题，尝试采用t i c u a u 作为u b m ，在金表面电镀 哈尔滨工业大学硕士学位论文 铜。焊接温度从室温升至2 0 0 。c ，经过多次的试验，发现采用这个方法取得了 较好的结果。 试验采用的电镀参数为：电流强度5 5 m a c m 2 ，时间为6 0 r a i n ，凸点厚度 为1 0 岫。在常温下进行电镀。电镀前先将试样浸入电镀液，放置1 0 m i n ，使 得试样的凸点均匀接触镀液，使气泡逸出。图2 1 3 为试样上芯片上的凸点的 平均厚度。图2 1 4 ( a 、b 、c 、d ) 为金表面电镀铜凸点的s e m 平面照片。图 2 1 4 ( e 、f 、g 、h 、i 、i ) 为倾斜4 5 的s e m 照片。 固口因 口固口 固口因 幻1 0 0 倍 图2 1 3 试样上凸点的厚度 b ) 2 0 0 倍 c 15 0 0 倍 e ) 1 0 0 倍倾斜4 5 ( 2 曲2 0 0 倍倾斜4 5 ( 2 - 2 0 d ) 1 0 0 0 倍 f ) 2 0 0 倍倾斜4 5 h ) 5 0 0 倍倾斜4 5 c 哈尔滨工业大学硕士学位论文 i ) 5 0 0 倍倾斜4 5 ( 2j ) 1 0 0 0 倍倾斜4 5 。c 图2 1 4 铜凸点的s e m 图 经过反复的试验，成功的在金表面上实现了铜的电镀。但电镀试验中发 现，由于金表面与p r 的结合要比铜表面与p r 的结合能力更强，厚p r 的显影 过程受到很多因素如紫外线强度，烘烤时间，蚀刻时间等影响，金表面的p r 很难彻底清洗干净。在电镀之后发现有时会出现凸点脱落的现象，主要是由于 p r 残留层的存在使得凸点与金表面结合不牢。因此在用丙酮腐蚀p r 时，凸点 也很容易随之脱落。为了解决这个问题，最终采用在金表面先覆盖一薄层钛的 方法。具体如下：溅射时在金表面溅射0 0 2 1 x m 的钛，在电镀之前先将试样放 入5 的h f 溶液中，去除金表面的钛层，残余的p r 也随之去掉，这样在电镀 过程中，铜可以牢固的镀在金表面上，而且发现这样制作的铜凸点不会随着 p r 的去除而脱落，结合牢固。需要注意的就是在h f 溶液中浸泡时，一定彻 底的将钛层去掉。这样基本上实现了在金表面电镀铜的工艺。 2 7 锡薄膜金属层的沉积 图2 1 5 所示为蒸镀设备。蒸镀的原理为将被镀试样装在真空蒸镀机中， 用真空泵抽真空，大约需要1 2 m i n ，直到真空室中的真空度达到3 5 1 0 t o r r ， 3 r a i n 内缓慢的将电压从0 v 升到1 5 v ，使高纯度的锡颗粒在高于其沸点 2 2 7 0 。c 的温度下熔化并蒸发成气态锡。气态锡微粒在转动的试样表面沉积、经 冷却还原即形成一层连续而光亮的金属锡层。通过控制金属锡的质量、蒸发速 度、试样的移动速度以及镀膜室的真空度等来控制锡的厚度，锡的厚度控制在 1 5 1 a m 左右。 在凸点表面镀锡时注意蒸镀后要等试样冷却5 m i n 以上才能将试 样取出，防止锡表面氧化。图2 1 6 为蒸镀后的c u s n 凸点。 哈尔滨工业大学硕士学位论文 图2 1 5 蒸镀机 a ) 5 0 倍b ) 2 0 0 倍 图2 1 6 蒸镀之后的c u s n 凸点形貌 表2 3 显示了凸点制作中出现的几个常见的缺陷，并对缺陷产生的原因进 行了分析。缺陷产生的主要原因是显影的不彻底导致局部p r 残留，电镀中电 流分配的不均匀以及电镀初期电镀面积小使得电流强度过大和电镀液的长期使 用导致平整性变差等。 表2 - 3 常见的凸点缺陷分析 b 电镀是四周到 中心电镀电镀 初期电流强度 过大导致沉积 厚度差异 c 电镀液长期使 用导致平整性 变差且电流强 度过大 2 8 去除光致抗蚀剂p r 蒸镀之后，将试样放入丙酮中放置约6 0 0 s ，去除p r ，然后用镊子将试样 表面残余的锡掀掉。再用丙酮清洗，用去离子水清洗，然后氮气吹干。试验中 要注意用镊子掀掉锡薄膜时一定要小心缓慢进行，否则很容易将凸点边缘的锡 也随之掀掉。 2 9 去除粘附层钛 将试样放到5 的h f 溶液中停留1 2 s 迅速拿出，用去离子水洗净，氮气 吹干。因为放入h f 中时间长的话，h f 会同时将锡也腐蚀掉。见图2 1 7 。与 图2 1 6 对比，可以发现h f 同样对锡有腐蚀作用。为了避免锡层过薄，将锡层 由原来的m w 增厚为1 5 “m ，有效的解决了锡层过薄的问题。 哈尔滨工业大