铝/镍/铜UBM厚度对SnAgCu焊点的力学性能及形貌影响

作者:薛栋民;廖广兰;史铁林 刊名:半导体光电 上传者:李荣健

【摘要】研究了倒装芯片中UBM制备和焊球回流工艺流程。通过改变阻挡层Ni和浸润层Cu的厚度,结合推拉力测试实验,探究了SnAgCu焊点剪切强度的变化规律。研究结果表明,UBM中阻挡层Ni对SnAgCu焊点的力学性能影响最大,而浸润层Cu厚度的增加也能提高SnAgCu焊点的力学性能。进一步对推拉力实验后的焊点形貌进行了SEM观察和EDS分析,得到了焊盘剥离、脆性断裂、焊球剥离、韧性断裂四种不同的焊点失效形式,代表着不同的回流质量,而回流质量主要由UBM的成分和厚度决定。研究结果为倒装焊工艺的优化提供了理论指导。

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0引言铅对人类的危害已经被广泛认识。当今,电子工业排出的大量废弃物导致地下水中铅含量过高。全球电子工业正努力禁止在焊料中含铅,而焊料的无铅化对倒装芯片的研究提出了更高的要求[1-2]。倒装芯片的典型结构如图1所示[3]。凸点下金属化层(UnderBumpMetallization,UBM)主要起连接、阻碍焊料扩散和反应、润湿焊料及防止氧化等作用,分别对应为粘附层、阻挡层、浸润层。锡球在承受一系列热处理后,回流成焊球。锡球连接的机械性能主要受焊球强度、焊球与基板之间的界面强度影响[4]。目前报道过多种结构的UBM,但商业上广泛应用的倒装芯片UBM结构主要为IBM开发的Cr-Cu/Cu/Au、Delco研发的Al/Ni(V)/Cu两种[5-6]。在所有无铅焊料中,SnAgCu系列焊料熔点较高,对基板的影响很大[7-9]。由于高的回流温度以及高的锡含量,在回流循环过程中,无铅焊料与UBM之间的反应要比含铅焊料的反应强得多。因此,对应用于无铅焊料的UBM研究越来越迫切。图1倒装芯片结构示意图本文将共晶SnAgCu无铅焊料与Al/Ni/Cu结构UBM回流成一体,然后对焊球进行推拉力测试,得出相应的焊点剪切强度,并进一步对推球后的焊点残留区域进行形貌、成分分析。通过改变UBM中阻挡层和浸润层的厚度,探究了不同厚度组合下的UBM结构对于SnAgCu焊点的力学性能影响。研究结果将对无铅焊料体系的工艺优化起到较大的指导作用。1实验1.1试样制备为了简化制作工艺,在倒装样片的制备过程中暂不考虑其电气性能,因而省去了电路结构及电气层的制作,形成假芯片(DummyFlipChip)结构。实验中,采用晶向(100)、直径5.08cm(2inch)、厚度300m的单抛硅片,具体工艺步骤如下:首先采用热氧化法,在硅衬底上生长300nm厚的SiO2薄膜作为钝化保护层。完成钝化层生长后,采用NH4F和HF[10]的湿法工艺对钝化层进行通孔刻蚀。之后,进行套刻工艺,并以光刻胶作为溅射工艺的掩模,依次溅射Al、Ni、Cu金属层。采用剥离工艺后,在硅衬底上形成UBM结构。最后,进行凸点的制作。实验中选用SAC305系列焊球(ProfoundMaterialTechnology),直径为300m。凸点的回流在多用途亚微米贴片机(FINEPLACER?lambda,FineTech)上完成。回流焊温度曲线由预热区、活性区、回流区、冷却区四个部分组成。其中,回流焊波峰温度控制在250,持续时间为30s。本研究中的UBM采用Al/Ni/Cu三层薄膜结构。Ni层添加7wt%的V以降低溅射工艺过程中界面的磁性[11]。制作的芯片规格是66,呈面阵型分布,如图2(a)所示。1.2推拉力测试通过改变阻挡层Ni和浸润层Cu的厚度,来探究不同厚度Al/Ni/Cu结构UBM对SnAgCu焊点的力学性能影响。对芯片上的36个焊球,随机抽取12个焊点进行推拉力测试(Condor150,XYZTEC)。焊球推拉力测试采用JESD22-B117A标准[12],推球安置示意图及实际效果图如图2(a)、(b)所示。推球的具体参数设置如下:焊球尺寸为300m,推刀尖端与底部基面的高度差为30m,推球行程为400m,推球速度采用150m/s的低速模式。推球实验后,用SEM观察断裂处的表面形貌,并用EDS进行成分分析。(a)制作的倒装样片及推球实验布置效果图(b)推球实验示意图图2推球安置示意图及实际效果图2实验结果与分析2.1力学性能为了探究不同厚度Al/Ni/Cu结构UBM对SnAgCu焊点的力学性能影响,一共进行了6组

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