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窄节距焊料凸点成形及焊盘尺寸对抗剪强度和微观组织的影响

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-12-26  浏览次数:750
核心提示:摘 要: 通过优化模板印刷工艺实现了窄节距无铅焊料凸点成形,并观察了凸点形貌、高度以及评估成形的焊料凸点性能.利用拉力
 摘 要:

          通过优化模板印刷工艺实现了窄节距无铅焊料凸点成形,并观察了凸点形貌、高度以及评估成形的焊料凸点性能.利用拉力剪切力试验机对凸点进行剪切力测试,研究焊盘尺寸对凸点抗剪强度的影响,同时观察了断口形貌,最后对凸点内部及界面处的金属间化合物( intermetallic compound, IMC) 进行了观察。结果表明,小尺寸焊盘的凸点较高、均匀性较好,抗剪强度表现出随焊盘尺寸减小而减小的尺寸效应,并从剪切受力和 IMC分析尺寸效应的成因。其中大尺寸焊盘的凸点界面IMC形貌为扇贝状,而小尺寸焊盘的界面IMC为针状,容易导致应力集中而降低抗剪强度。

关键词: 倒装芯片; 焊料凸点; 抗剪强度; 焊盘尺寸; 金属间化合物

序   言
          集成电路集成度越来越高,封装互连密度不断增加。倒装芯片(flip chip)封装技术通过凸点代替传统引线将芯片有源面与基板直接进行机械和电学连接,实现了面阵列互连,从而极大地提高封装密度,正成为电子封装的主要互连方法。其中凸点技术是FC封装的核心,凸点节距( 相邻凸点间的中心距)的减小代表着互连密度的提高。目前 FC凸点主要是无铅焊料凸点,SnAgCu无铅焊料由于其熔点低、机械强度高等特点已经被广泛应用于电子封装。焊料凸点强度、可靠性与金属间化合物的组分与形态关系密切,特别是随着凸点节距减小,金属间化合物可能占据凸点大部分体积,凸点强度和可靠性将表现出明显的尺寸效应。芯片与基板的热膨胀系数不匹配将导致凸点在组装中承受剪切应力,抗剪强度是表征凸点的强度和可靠性的重要性能指标。2011年国际半导体技术发展蓝图(ITRS)曾预测2014年应用于高性能芯片(中央处理器、图像处理器等)到基板的倒装芯片凸点节距将达到100μm。因此研究焊盘尺寸对100μm以下节距的无铅焊料凸点的抗剪强度和金属间化学物的影响具有重要的科学意义和应用价值。众多焊料凸点成形技术中,模板印刷成形是一种高效率、低成本的倒装芯片凸点方法。然而目前能够实现模板印刷100μm以下节距的焊料凸点成形比较困难,关于焊盘尺寸对于模板印刷无铅焊料凸点的抗剪强度和IMC的影响的报道相对较少。因此文中通过优化焊料类型、模板侧壁质量等实现了90μm节距焊料凸点成形,同时研究了焊盘尺寸对于凸点抗剪强度和IMC的影响。
一、试验方法

   研究中采用 96.5% Sn3.0% Ag0.5% Cu( SAC305)组分的无铅焊膏进行模板印刷,焊膏内金属颗粒尺寸为15~25μm,焊料类型为免洗焊料和水溶性焊料。用于印刷的4寸硅晶圆上的焊盘节距为90μm,形状为正方形,尺寸分别为 40μm×40μm,30μm×30μm,20μm×20μm和16μm×16μm,文中主要分析两种极限尺寸焊盘对于抗剪强度和 IMC 的影响。焊盘主要成分为TiW/Cu,其中溅射的TiW和铜作为粘附层和种子层,电镀铜作为浸润层,成形后的凸点结构如图1所示。文中采用半导体工艺在晶圆上制作焊盘,然后在高精度印刷机上采用电铸镍模板进行焊料印刷。随后在氮气回流炉内,峰值温度为260℃下进行焊料再回流成形凸点。此后测量不同焊盘尺寸的凸点高度,利用拉力剪切力试验机进行剪切力测试。其中剪切高度是凸点高度的10%~25%,剪切速度是00μm/s。剪切试验后采用场发射扫描电镜(SEM)以及能谱分析仪(EDX)观察断口形貌及分析 IMC 的成分。

图1、凸点结构及剪切力测试示意图

2、试验结果及分析

2.1 90μm 节距无铅焊料凸点成形

  影响焊料凸点模板印刷工艺的因素很多,文中主要通过优化焊料种类、模板侧壁质量及开孔尺寸、焊盘尺寸和印刷压力等参数,获得节距为90μm 焊料凸点。其中电铸模板、水溶性焊料是实现窄节距凸点成形的重要因素。这是由于水溶性焊料中助焊剂起到很好的润滑作用,使得微米尺寸的金属颗粒不易在光滑电铸镍基板粘附,从而很好地实现焊料从模板到晶圆焊盘的转移。免洗焊料虽然在印刷之后省去清洗步骤,但焊料中助焊剂润滑能力相对较差,焊料容易粘附模板侧壁,不适合窄节距的凸点成形。水溶性无铅焊料凸点成形后的形貌如图2所示。

图2、焊料凸点形貌

2.2 凸点高度均匀性

  凸点高度均匀性是影响芯片与基板组装非常重要的因素,因此文中在印刷相同体积焊料的条件下,测试每种焊盘尺寸的70个凸点的高度并进行统计分析(图3)。其中焊盘尺寸为16μm×16μm的凸点平均高度为35.6μm,焊盘尺寸为40μm×40μm凸点平均高度为25.1μm。这表明随着焊盘尺寸的减小,凸点的高度增加。这是因为在相同焊料体积下,回流后凸点形貌为图1所示的球缺,其体积为:

  式中:Vsolder是焊球体积;h是凸点高度;Φpad是焊盘尺寸。因此在体积一定的条件下,凸点高度与焊盘尺寸存在反比关系,随着焊盘尺寸增加,凸点高度降低。此外对于16μm×16μm焊盘,其凸点高度标准偏差(SD)为1.26,最大值和最小值的差值为5.6μm; 40μm×40μm焊盘标准差为1.9,最大值和最小值的差值为8.5μm。可见对于尺寸较小的焊盘,其凸点较高且均匀性较好,更适合与不带有凸点的基板直接进行组装。而对于尺寸较大的焊盘,其凸点高度均匀性相对较差,适合与带有铜柱的基板或者带有焊锡帽(solder cap)的基板进行组装。

图 3 焊盘尺寸对于凸点高度均匀性的影响

2.3 凸点抗剪强度

  对每种焊盘尺寸的50个凸点进行了剪切力测试,并采用SEM测量剪切断口的面积,从而计算出名义抗剪强度(图4)。对于16μm×16μm的焊盘,凸点的平均抗剪强度为57.7 MPa,标准差为6.1MPa;而40μm×40μm的焊盘,凸点的平均抗剪强度为68.0 MPa,标准差为8.5MPa。这说明凸点抗剪强度表现出随焊盘尺寸减小而减小的尺寸效应。

图 4 焊盘尺寸对于抗剪强度的影响

  抗剪强度存在差异的原因可能是凸点内部及界面的IMC存在差异,也可能由于断裂的形式发生了变化。对凸点的剪切断口进行了观察(图5和图6),发现焊盘尺寸减小断口形貌非常不同。其中小尺寸焊盘的凸点剪切断口分为两种类型:第一种类型的断裂发生在焊盘处,EDX分析表明剪切区露出了粘附层的TiW和被撕裂的形成韧窝的铜(图5a);第二种类型,断裂发生在凸点内部以及凸点和IMC界面处,其中凸点和界面处均有椭圆形IMC,EDX分析表明此IMC为Cu6Sn5 (图5b)。大尺寸焊盘的凸点剪切断口存在劈刀切开区以及部分滑移区,没有韧窝存在(图6),说明断裂为脆性和韧性混合断裂。在断口上可以清晰地观察到IMC,通过EDX分析发现此IMC为Cu6Sn5,而通过断口截面观察可以发现此断裂发生在Cu6Sn5和凸点的接触处。

图5、16μm×16μm焊盘的凸点的两种类型断口

图6、40μm×40μm焊盘的凸点的断口形貌

  断裂形式随焊盘尺寸发生变化可能是由于两方面原因:剪切时受力模式与尺寸有关, 或者是IMC与尺寸有关。观察图5b的断裂界面发现右侧区域发生了凸点脱离IMC而未出现滑移面,说明在剪切的最后阶段,凸点不仅受到横向剪切力,还可能受到垂直于界面的拉伸作用力。这些现象的主要原因是小尺寸焊盘的凸点比较高,因此剪切力作用点相对较高,剪切最后过程中,在发生剪切断裂前可能达到旋转力矩,此时很小的剪切力就可以将凸点完全剥离,导致抗剪强度降低。同时扭矩使得凸点受到拉伸应力而产生韧窝(图5a)。对于大尺寸焊盘的凸点发生剪切断裂的过程,如图7b,剪切力作用点相对较低,剪切未达到旋转扭矩而仅受横向剪切力,此时断裂会发生在凸点的内部或者脆性IMC 的界面。

图7、剪切过程受力示意图

  通过EDX分析断裂面的IMC发现,小尺寸焊盘的凸点断裂发生在脆性相Cu6Sn5与凸点界面或焊盘处。大尺寸焊盘断裂均发生在脆性相Cu6Sn5与凸点的界面。因此脆性相Cu6Sn5是剪切发生在界面处的原因之一。但对于小尺寸焊盘的凸点断裂为何会发生在焊盘处需要观察不同焊盘尺寸的凸点及界面的IMC形貌,分析强度差异及断口形成的原因。

2.4 金属间化合物

  通过观察多个凸点及界面处的IMC形貌,发现小尺寸焊盘的凸点与界面的IMC呈块状、针状且比较薄(图8),成分为Cu6Sn5,凸点内部和边角处容易出现大且长的Cu6Sn5 (图 8b) 。而大尺寸焊盘的凸点与界面处的IMC为尺寸较大的扇贝状Cu6Sn5(图9a),同时其下层分布着非常薄的一层Cu3Sn,具体如图9b,而这在小尺寸焊盘的界面处没有发现。

图8、16μm×16μm焊盘的凸点及界面金属间化合物

图9、40μm×40μm焊盘的凸点及界面的IMC

  综上所述表面焊盘尺寸不同,IMC形貌不同,可能原因是再回流中扩散到焊料中的铜含量不同。焊盘尺寸较小,铜表面积较小,扩散到凸点的铜较少,形核时生成的Cu6Sn5少而薄,Cu6Sn5的晶界是铜扩散到凸点的主要途径,少而薄的晶界阻挡了铜进一步扩散,反而在原来形核的Cu6Sn5处积累大量铜原子形成大尺度的针状Cu6Sn5。而在焊盘边角处铜可以从焊盘的底部和表面同时扩散使得IMC快速生长变成,针状IMC形状会更大。焊盘尺寸增大时,铜表面积变大,扩散到凸点中的铜含量增多,形核时生成的IMC大而厚,晶界尺寸也会较大,铜通过Cu6Sn5 的晶界扩散到凸点的含量就增多。当回流过程中铜扩散到凸点中成分大于Cu-Sn相图中39%时,金属间化合物Cu6Sn5 和Cu3Sn 就可能同时存在。相对于扇贝状的IMC,针状IMC容易应力集中而导致裂纹扩展,最终削弱凸点的抗剪强度。特别是边角处出现块状的IMC更会在较小力作用下导致断裂,因此小尺寸焊盘断裂会出现在焊盘处。
3、结论

  (1)节距为90μm的焊料凸点成形:焊料体积相同时,焊盘尺寸越小,凸点越高,均匀性越好。

  (2)相同剪切条件下,抗剪强度随焊盘尺寸减小而减小。大尺寸焊盘的凸点断裂发生在凸点和界面处,小尺寸焊盘的凸点断裂发生在界面和焊盘底部。因此从可靠性角度考虑,大尺寸焊盘更适合窄节距凸点。

  (3)焊盘尺寸减小导致IMC形核初始时扩散到焊球中铜浓度降低,IMC由 Cu6Sn5和Cu3Sn转变为Cu6Sn5,形貌也由扇贝状转化为针状及块状。针状Cu6Sn5是导致抗剪强度降低的主要原因。


 
 
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