先進(jìn)封裝中凸點(diǎn)技術(shù)的研究進(jìn)展

隨著(zhù)異構集成模塊功能和特征尺寸的不斷增加，三維集成技術(shù)應運而生。凸點(diǎn)之間的互連 是實(shí)現芯片三維疊層的關(guān)鍵，制備出高可靠性的微凸點(diǎn)對微電子封裝技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意 義。整理歸納了先進(jìn)封裝中的凸點(diǎn)技術(shù)，包括凸點(diǎn)的制備方法與材料、微觀(guān)組織與力學(xué)性能、電性 能與可靠性、仿真在凸點(diǎn)中的應用，為后續凸點(diǎn)研究提供參考。最后，對凸點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行了展望，凸 點(diǎn)工藝將繼續向著(zhù)微型化、小節距、無(wú)鉛化和高可靠性方向發(fā)展。

近年來(lái)，隨著(zhù)半導體技術(shù)的迅速發(fā)展，工藝制程 的節點(diǎn)已逐步接近原子尺寸級別，先進(jìn)封裝逐漸成為 延續摩爾定律的主要方式。從行業(yè)發(fā)展趨勢看，封裝 正在向著(zhù)小型化、輕質(zhì)量、更多 I/O 數、高性能、高速 度、高頻率、高集成化的方向發(fā)展。倒裝（FC）焊接技 術(shù)應運而生，在某些高要求應用中逐漸取代傳統的引 線(xiàn)鍵合技術(shù)，以減小封裝體積，提升封裝密度，縮短互連長(cháng)度，從而減小寄生電容，提升傳輸速度。

倒裝焊接技術(shù)作為一種先進(jìn)封裝技術(shù)，其發(fā)展離不開(kāi)焊點(diǎn)技 術(shù)的革新。倒裝焊接技術(shù)的精度要求進(jìn)一步提升了凸點(diǎn)（尤 其是微型凸點(diǎn)）制備的復雜性。微小的凸點(diǎn)間距和高 度增加了填充工藝的難度。同時(shí)，多應力作用下的凸 點(diǎn)極易產(chǎn)生諸如界面空洞、金屬間化合物（IMC）擴展 等缺陷，加速芯片失效的過(guò)程。因此，在后摩爾時(shí) 代，針對凸點(diǎn)小型化、材料選擇、可靠性等問(wèn)題，需要建 立合理的評判機制。本文主要介紹先進(jìn)封裝中凸點(diǎn) 技術(shù)的研究進(jìn)展，并結合應用端，展望凸點(diǎn)技術(shù)的發(fā) 展趨勢。 

凸點(diǎn)按照制備方法可以分為蒸發(fā)沉積、絲網(wǎng)印 刷、植球、電鍍、噴射、化鍍等。 

凸點(diǎn)最早使用的制備方法為蒸發(fā)沉積法，由 IBM 公司研發(fā)并用于芯片 FC鍵合，并隨著(zhù)可控坍塌芯 片連接（C4）技術(shù)而流行起來(lái)。該凸點(diǎn)材質(zhì)最初選用 銅，后逐步轉變?yōu)殄a鉛焊料凸點(diǎn)，被 IBM 及其他公司 持續使用了幾十年，并一直保持高可靠性記錄。倒裝 焊料凸點(diǎn)和銅柱凸點(diǎn)的結構如圖 1 所示。由于鉛及其 化合物均有很大毒性，對人體健康和環(huán)境有不良影 響，我國出臺了《電子信息產(chǎn)品污染控制管理辦法》以 限制鉛及含鉛物質(zhì)的使用。由于成本以及良率、節距 的問(wèn)題，8 英寸晶圓是蒸發(fā)沉積技術(shù)的終點(diǎn)。 

絲網(wǎng)印刷技術(shù)由印制電路板產(chǎn)業(yè)引進(jìn)到晶圓級 封裝技術(shù)中，采用絲網(wǎng)印刷法制備凸點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是工 藝簡(jiǎn)單、操作方便、成本低，缺點(diǎn)是用此種方法制備的 凸點(diǎn)節距較大，無(wú)法制備較小節距凸點(diǎn)是因為回流前 后焊膏的體積變化很大，需要足夠大的空間。 

采用電鍍法制備凸點(diǎn)，具有工藝簡(jiǎn)單、易于量產(chǎn)、 一致性好、線(xiàn)寬 / 線(xiàn)距小等優(yōu)點(diǎn)，其被廣泛應用于半導體封裝領(lǐng)域。該方法的缺點(diǎn)是工序相對復雜，改變 焊料合金的成分相對較難，需要通過(guò)對電鍍液中各組 成成分的含量進(jìn)行控制，且在凸點(diǎn)存在狀態(tài)下進(jìn)行種子層刻蝕。 

焊料噴射是連續的無(wú)掩模焊料沉積技術(shù)，用噴頭 將液態(tài)焊料噴射至晶圓上。此技術(shù)可以實(shí)現較高的噴 射頻率，但對整個(gè)工藝的控制較為困難。 

由于不需要采用光刻和濺射等工序，化鍍工藝的 成本較低，可以直接對露出鋁焊盤(pán)的晶圓進(jìn)行濕法處 理，從而吸引了研究者的關(guān)注。德國的 IZM 工藝是先 對晶圓背面掩模，然后進(jìn)行正面鈍化層的清洗，通過(guò) 鋁焊盤(pán)的活化、浸鋅、化鎳、浸金、清洗等制備出磷鎳凸 點(diǎn)，其厚度為 5 μm，表面防氧化層金的厚度為 50~ 80 nm。不同凸點(diǎn)制備方法如表 1 所示。

中國電子科技集團公司第二十四研究所采用德國電鍍技術(shù)有限公司的 MOT 機臺和某進(jìn)口電鍍 液 ， 電 鍍 制 備 出 以 Cu 為 凸 塊 下 金 屬 （UBM）的 Sn3.5Ag 二元合金焊料凸點(diǎn)，如圖 2 所示。通過(guò)對陽(yáng)極 板位置的調節、藥液中 Sn 離子和 Ag 離子濃度比值的 調節、電鍍液的定期監控等措施將凸點(diǎn)的成分控制在 Sn、Ag 的質(zhì)量比為 96.5∶3.5。 

YU等的研究將 Sn/Ag/Cu 三元無(wú)鉛焊料作為含 鉛焊料的潛在替代品，并對 Sn/2.5Ag/0.7Cu、Sn/3.5Ag/ 0.7Cu、Sn/3.5Ag/0.7Cu/0.1RE 和 Sn/3.5Ag/0.7Cu/0.25RE 的微觀(guān)結構和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。當 Sn/2.5Ag/ 0.7Cu 和 Sn/3.5Ag/0.7Cu 中形成粗大的 β-Sn 晶粒時(shí)， Sn/3.5Ag/0.7Cu 合金中出現塊狀的 Ag、Sn。通過(guò)摻雜 微量稀土元素 Ce 使得粗大的 Cu6Sn5 和 Ag3Sn 晶粒得 以細化，這主要是由于稀土元素 Ce 起到了釘扎作用， 抑制了晶粒的生長(cháng)。由于顯微組織精細均勻，提高了 拉伸強度和伸長(cháng)率，稀土元素的加入可以作為開(kāi)發(fā)新 型無(wú)鉛焊料的有效途徑。

WEI 等介紹了銅柱凸點(diǎn)技術(shù)的進(jìn)展，對比了銅 柱焊料凸點(diǎn)（CPB）和 C4 凸點(diǎn)的性能，列舉了各大廠(chǎng) 的代表銅柱凸點(diǎn)，介紹了銅柱凸點(diǎn)的制造工藝、應用 場(chǎng)景、可靠性、倒裝問(wèn)題和可以生產(chǎn)的封裝廠(chǎng)，以及未 來(lái)的發(fā)展趨勢。微互連的銅柱凸點(diǎn)如圖 3 所示。CPB 工藝以其更小的凸點(diǎn)節距（＜50 μm），更優(yōu)良的電學(xué) 性能、熱學(xué)性能和機械性能，能夠滿(mǎn)足未來(lái)高 I/O 密 度、優(yōu)良電熱性能的封裝需求。

呂鏢等研究了陰極移動(dòng)對在不同電流密度下制 備的鎳層表面形貌、粗糙度、孔隙率、組織結構以及纖 維硬度等性能的影響。研究發(fā)現，當電流密度較大時(shí)， 陰極移動(dòng)可以改善濃度極化導致的鍍層質(zhì)量劣化，降 低孔隙率和殘余應力，但對晶向沒(méi)有影響。 

相較于其他凸點(diǎn)制備方法，電鍍法具有易于批量 生產(chǎn)、一致性好，以及可以制備絕大部分凸點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)， 因此被廣泛應用于集成電路的封裝領(lǐng)域。研究者們也 會(huì )針對凸點(diǎn)材料將常用凸點(diǎn)分為含鉛凸點(diǎn)及無(wú)鉛凸 點(diǎn)。由于鉛的毒性，無(wú)鉛電子組裝已成為不可扭轉的 趨勢。目前已經(jīng)明確用來(lái)取代 Sn/Pb 合金的無(wú)鉛焊料 是以 Sn 為基體的二元、三元甚至更多元的合金焊料。

凸點(diǎn)的成分、結構及其形成的微觀(guān)組織決定了其 力學(xué)性能，國內外學(xué)者進(jìn)行了大量的相關(guān)研究，以期 構建凸點(diǎn)的微觀(guān)組織與力學(xué)性能之間的聯(lián)系，從而獲 得符合使用要求的凸點(diǎn)結構，并取得了大量的成果。 

李福泉等采用熔融法熔滴 SnPb 焊料，其在 CuNiAu 焊盤(pán)上所形成的組織為 Au/Sn IMC，Au/Sn 凸 點(diǎn)的整體形貌如圖 4 所示。隨后的再回流過(guò)程中， Au/Sn IMC 遷移至焊料基體內部，裸露出的 Ni 層與 Sn 生成 Ni₃Sn₄。隨著(zhù)老化過(guò)程的進(jìn)行，AuSn4 重新沉積 于界面，并形成（Au_xNi_1-x）Sn₄，在該層之上有富鉛相產(chǎn) 生。Au/Sn IMC 的反應及其分布對焊料與焊盤(pán)間的力 學(xué)性能影響很大。

通過(guò)熔融共晶 SnPb 和熱退火 Ni 的反應潤濕，在 Ni 上形成 Ni3Sn4 晶粒，并使用同步 X 射線(xiàn)衍射分析發(fā)現 Ni₃Sn₄ 和 Ni 之間存在 2 種擇優(yōu)取向關(guān)系。 

凸點(diǎn)的成分也會(huì )對界面反應的動(dòng)力學(xué)過(guò)程造成影 響。LAURILA 等研究了 SnPbAg、SnAg 和 SnAgCu 凸點(diǎn)焊料與印制板上 Ni/Au 表面進(jìn)行光刻的界面反 應，特別是 AuSn IMC 的再沉積，發(fā)現 SnPbAg/Ni/Au 和 SnAg/Ni/Au 體系在焊接過(guò)程中形成的第一相為 Ni₃Sn₄。在隨后的固相退火過(guò)程中，2 個(gè)體系都出現了 AuSn₄、(Au, Ni)Sn₄ 相的再沉淀，可用局部平衡的概念 和相應的三元相圖解釋這一現象。結果表明，Ni 可以 驅動(dòng) (Au, Ni)Sn₄ 發(fā)生再沉淀。當焊料中含有一定的 Cu 時(shí)，首先形成的 IMC 為 (Cu, Ni, Au)₆Sn₅，未發(fā)現 AuSn4 的再沉積，在富 Sn 焊料體系中加入少量 Cu 就 完全改變了互連系統的行為。 

LABIE 等研究報道了倒裝芯片尺寸凸點(diǎn)的Cu/Sn 和 Ni/Sn 固態(tài)擴散，在直徑為 40 μm 的鍵合墊 倒裝凸點(diǎn)上測量了 Cu/Sn 和 Ni/Sn 的 IMC 互擴散系 數和活化能，描述了金屬反應的形貌。在 Ni/Sn 體系 中，少量的 Cu 對 Ni 的消耗有一定影響，而大量的 Cu 則會(huì )導致金屬間界面的極端扇貝化。 

回流焊的條件會(huì )改變凸點(diǎn)的微觀(guān)形貌，從而影響 其可靠性。林小芹等用電鍍法制備了以 Cu 為 UBM 的尺寸小于 100 μm 的 Sn3Ag 凸點(diǎn)，圖 5 為 Sn3Ag 凸 點(diǎn)的 SEM 照片。芯片內凸點(diǎn)高度的一致性為 1.4%，4 英寸片間的凸點(diǎn)高度一致性約為 3.57%；研究了 Cu 焊 盤(pán)與焊料 SnAg 在不同回流次數下界面反應及孔洞形 成的機理，預測了對凸點(diǎn)連接可靠性的影響。研究結 果表明，焊料與 Cu6Sn5 界面中孔洞的產(chǎn)生主要是相變 體積收縮所致。凸點(diǎn)的剪切強度隨著(zhù)回流次數的增多 而增大，Cu6Sn5/Cu 界面隨服役而不斷產(chǎn)生的孔洞對凸 點(diǎn)的長(cháng)期可靠性會(huì )產(chǎn)生不利影響。

GORLICH 等研究了固態(tài) Ni 和液態(tài) Sn 之間的 焊接。研究發(fā)現，只有在工藝的早期階段，IMC 晶粒的 生長(cháng)隨時(shí)間呈線(xiàn)性變化。之后，IMC 晶粒的生長(cháng)速度 逐漸下降。值得注意的是出現了速率常數不同的 2 個(gè)體系。用最新的助焊劑驅動(dòng)理論討論了所觀(guān)察到 的生長(cháng)速度變化，但是這個(gè)理論僅針對 4 min 內的 短回流過(guò)程有效。使用透射電鏡觀(guān)察到扇貝狀微結 構，在 Ni/Ni3Sn4 界面新晶粒永久成核，海綿狀等軸 晶粒隨后形成。晶界潤濕只出現在反應區的一定范圍內。 

凸點(diǎn)的微觀(guān)形貌也會(huì )影響其剪切強度。TIAN 等對含有限晶粒數的回流失效凸點(diǎn)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)剪切測 試，研究了 SAC305/Cu 凸點(diǎn)的變形和斷裂行為。使用 偏振光顯微鏡（PLM）和電子束背散射（EBSD）技術(shù)分 析了晶粒的形貌和分布，利用 SEM 觀(guān)察了凸點(diǎn)組織 和 IMC 對凸點(diǎn)斷裂行為的影響，焊錫接點(diǎn)和 IMC 微 結構如圖 6 所示。實(shí)驗結果表明，在 Sn3.0Ag0.5Cu 焊 料中，IMC（Cu6Sn₅ 和 Ag₃Sn）的形貌和分布是導致焊 料尺寸效應的主要原因。隨著(zhù)凸點(diǎn)尺寸的增大，回流 和失效焊接頭的剪切強度降低。分散在小凸點(diǎn)中的納 米顆粒狀 Ag3Sn 對凸點(diǎn)的力學(xué)性能有強化作用。樹(shù)枝 狀和羽毛狀的 Ag₃Sn 使大尺寸的凸點(diǎn)變脆。在動(dòng)態(tài)剪 切測試中，小凸點(diǎn)出現了明顯的塑性變形，并發(fā)生了 動(dòng)態(tài)回復和再結晶。斷裂發(fā)生在大部分焊料中，而脆 性斷裂發(fā)生在大凸點(diǎn)中，斷裂位置靠近焊料表面。裂 紋以穿晶斷裂的方式擴展。老化后，所有的凸點(diǎn)均發(fā) 生動(dòng)態(tài)回復和再結晶。大凸點(diǎn)的塑性增強，在動(dòng)態(tài)測 試過(guò)程中發(fā)生穿晶斷裂和沿晶斷裂。

CHUANG 等對 Ni 和 Sn 反應的空洞消除進(jìn)行 了研究，以揭示空間限制對 Ni/Sn 和 Ni/SnAg 反應的 影響。結果表明，空間限制導致 Ni/Sn/Ni 夾層中心附 近形成了空洞，其根本原因是反應產(chǎn)生的體積收縮不 能通過(guò)夾層垂直厚度的減小而完全消散。在 Ni3Sn4 相 反方向生長(cháng)的晶?；ハ嘧矒?，有效地阻止了夾層垂直厚度的減小。第一次增加質(zhì)量分數為 2.4 %的 Ag 時(shí)有 效地消除了這些空洞，說(shuō)明加入 Ag 可以顯著(zhù)地抑制 Ni/Sn 空洞的產(chǎn)生，有人認為這是 Ag 原子的析出擴散 造成的。

CHUANG 等提出了在三維集成電路封裝中由 空間引起界面反應的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。包括 IMC 晶粒的 碰撞產(chǎn)生結構缺陷，焊料濃度消耗導致雜質(zhì)濃度上 升，焊料尺寸變小導致薄膜層對 UBM 和表面光潔度 的影響越來(lái)越大等，并討論了這些問(wèn)題的含義和解決方案。 

凸點(diǎn)的尺寸也會(huì )改變 IMC 的生長(cháng)情況。HUANG 等 報道了在 Ni/SnAg/Cu 焊料微凸點(diǎn)中的新發(fā)現， IMC 的生長(cháng)速率在很大程度上取決于焊料厚度。在 Ni/SnAg（厚度為 40 μm）/Cu 結構中，化合物在 Ni 側 的生長(cháng)速度比在 Cu 側快。由于焊料中 Cu 和 Ni濃度 的梯度變化，當焊料厚度小于 20 μm 時(shí)，IMC 的生長(cháng)情況相反。 

LIANG 等研究了焊料厚度分別為 4 μm 和 12μm 時(shí)，Ni/Sn2.3Ag/Ni 微凸點(diǎn)的三明治結構在 260 ℃下經(jīng) 回流后的微結構演變。當焊料厚度為 4 μm 的微凸點(diǎn) 經(jīng)過(guò) 1 次 4 min 的回流處理后，Ni 在 UBM 界面處形 成了 IMC，成分為 Ni3Sn4，形成的 Ag3Sn IMC 分散在焊 料基體中。當回流時(shí)間接近 34 min 時(shí)，Ni3Sn4 IMC 幾 乎占據了整個(gè)界面，此時(shí)在 IMC 中仍有些孔洞。相比 之下，在焊料厚度為 12 μm 的微凸點(diǎn)中 Ni3Sn4 IMC 的 生長(cháng)速率要慢于焊料厚度為 4 μm 的微凸點(diǎn)。 

陳雷達等研究發(fā)現，由于 IMC 的熱膨脹系數、 彈性模量、斷裂伸長(cháng)率等材料參數與基體金屬差異很 大，所以 IMC 越厚就越容易產(chǎn)生龜裂，導致凸點(diǎn)失效。在使用過(guò)程中由于擴散導致的柯肯達爾孔洞也會(huì )成 為裂紋的源頭。因此，IMC 的形貌、厚度和結構都會(huì )影 響凸點(diǎn)的可靠性。微型化導致的尺寸效應對可靠性產(chǎn) 生了越來(lái)越重要的影響。 

YU 等研究了高度小于 10 μm 時(shí) Ni/SnAg/Ni 微 凸點(diǎn)中的 Ag 含量對減少孔洞的影響，系統地研究了 Ag 的質(zhì)量分數低于 8%時(shí)的最佳值。結果表明，在固 態(tài)反應中，當 Ag 的質(zhì)量分數低于 2.4 %時(shí)有孔洞產(chǎn) 生；當 Ag 的質(zhì)量分數不低于 3.5 %時(shí)，幾乎沒(méi)有孔洞 產(chǎn)生，且在鍵合條件下析出 Ag3Sn。當 Ag 的質(zhì)量分數 達到 8%時(shí)，形成了部分連續的 Ag3Sn 層。 

YANG 等研究了 Cu/Ni/SnAg 微凸點(diǎn)中 Sn 的表 面擴散對 IMC 生長(cháng)的影響，發(fā)現隨著(zhù)凸點(diǎn)尺寸的降 低，表面擴散變得更加重要。該團隊采用透射電鏡 （TEM）觀(guān)察了側面的 Ni3Sn（靠近 4 Ni3Sn4/Ni 界面）、側 壁 Ni3Sn（在2 Ni 阻擋層表面）和側面 Cu3Sn（在銅柱表 面）對 Sn 原子擴散的影響；計算出了 Ni3Sn4 橫向生長(cháng) 常數約為 0.025 7 μm/h1/2?；谝陨蠈?shí)驗結果和擴散理 論，提出了微凸點(diǎn)中 IMC 的形成機理，在高密度電子 封裝中，表面擴散引起的額外 IMC 生長(cháng)可能是引起失 效風(fēng)險的潛在因素。 

CAI 等通過(guò) Sn 層間的厚度優(yōu)化、界面 IMC 的 生長(cháng)演化和凸點(diǎn)尺寸效應這 3 個(gè)重要實(shí)驗研究 Cu/Sn 固態(tài)鍵合。通過(guò)對電鍍 Sn 表面粗糙度和預制 Cu6Sn5 晶粒峰的分析，確定 Sn 中間層的最小厚度為 2 μm。在 鍵合前，只有一個(gè)不穩定的 Cu6Sn5 相在室溫下形成， 該相的成核是一個(gè)不穩定過(guò)程。在富 Cu 的 Cu/Sn/Cu 三明治結構的鍵合和退火過(guò)程中，Sn 中間層經(jīng)歷了還 原、分裂和衰竭，相應的 Cu6Sn5 相發(fā)生了生長(cháng)、合并和 轉變，最終形成了一個(gè)穩定的 Cu/Cu3Sn/Cu 的 3 層結 構?？驴线_爾孔洞出現在 Cu/Cu3Sn 界面處，且隨著(zhù) Cu6Sn5 相的減少而不斷生成。在 200 ℃的低溫條件下， Cu/Sn 鍵合中 IMC 的生長(cháng)機制仍為晶格擴散。當 Sn 存在時(shí)，Cu6Sn5 相的產(chǎn)生抑制了 Cu3Sn 的生長(cháng)，且得到了 2 個(gè)略大的互擴散系數 D(Cu6Sn5)=3.035×10-17 m2 /s， D(Cu3Sn)=7.496×10-17 m2 /s。隨著(zhù)凸點(diǎn)寬度的不斷降低， 尤其是降低至 60 μm 以下時(shí)，IMC 側向生長(cháng)引起的凸 點(diǎn)尺寸效應逐漸明顯，并對細節距 Cu/Sn/Cu 互連有利。 

田飛飛等在 CuNi 焊盤(pán)上植共晶 Sn63Pb37 焊 球，用波峰焊焊接至化學(xué)鍍 NiAu 的 PCB 銅焊盤(pán)上， 通過(guò) SEM 觀(guān)察了界面的微觀(guān)組織，采用色譜儀（EDS） 分析其微觀(guān)組織成分。結果表明，芯片側從 Ni 層往 PCB 方向，IMC 依次為 (Cu, Ni)3Sn、(Cu, Ni)6Sn5；PCB 側從 Ni 往芯片方向，IMC 依次為 NiSnP 三元化合物 和(Cu，Ni)6Sn5。由于 IMC 多為脆性相，容易產(chǎn)生微裂 紋并對凸點(diǎn)的力學(xué)性能、可靠性有不利影響。

LIN 等人首次在高溫、高濕存儲條件下觀(guān)察到 在 Cu/Ni/SnAg 微凸點(diǎn)表面的淺層晶粒上生長(cháng)出錫晶 須。氧化反應和 IMC 反應形成的應力差導致了晶須的 形成。均勻取向的相關(guān)孿晶減緩了 Sn 原子的擴散速 率，淺層表面較大體積的 Ag3Sn 限制了晶須晶界的遷 移，對晶須和小丘表面形貌有著(zhù)重要影響。在此基礎 上，他們提出了 Sn 晶須和階地狀小丘的形成機理。該 研究結果對孤立 Sn 基凸點(diǎn)上的 Sn 晶須和小丘具有 重大意義，對 3D 電子封裝的可靠性具有指導意義。 

目前關(guān)于力學(xué)性能與微結構的研究主要集中在 較大尺寸的凸點(diǎn)中，針對微型凸點(diǎn)的力學(xué)性能研究較少。此外，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的工藝條件以及凸點(diǎn)尺寸 的差異均會(huì )顯著(zhù)影響界面 IMC，從而導致凸點(diǎn)的力學(xué) 性能發(fā)生變化。因此，在后續研究中有必要進(jìn)一步聚 焦微型凸點(diǎn)的微觀(guān)結構及其力學(xué)性能。 

凸點(diǎn)的微觀(guān)組織不僅決定了其力學(xué)性能，還會(huì )對 電路的電性能及可靠性造成影響。隨著(zhù)電路不斷朝著(zhù) 微型化方向發(fā)展，封裝結構中的凸點(diǎn)尺寸越來(lái)越小， 凸點(diǎn)所經(jīng)受的電流密度大大提高。電遷移對元素擴散 與界面反應的影響變得越來(lái)越重要。因此，在電遷移 作用下凸點(diǎn)中的元素擴散及界面反應已經(jīng)成為微電 子封裝的研究熱點(diǎn)。 

由于實(shí)際倒裝凸點(diǎn)結構為非對稱(chēng)結構，在凸點(diǎn)的 電流入口處和出口處容易產(chǎn)生嚴重的電流擁擠效應 與焦耳熱效應，進(jìn)而使得凸點(diǎn)處的電遷移現象變得十 分復雜。陳雷達在“純化條件下”研究電遷移對 Cu/Sn/Cu、Cu/Sn/Ni 凸點(diǎn)中元素擴散及界面反應的影 響，并在此基礎上更深一步地研究了電遷移對這 2 種 凸點(diǎn)的界面反應與失效機理的影響。經(jīng)研究發(fā)現，對 于 Cu/Sn/Cu 對稱(chēng)結構，在電遷移作用下，凸點(diǎn)界面的 IMC 生長(cháng)呈現明顯的極性效應。陰極界面處的 IMC 生 長(cháng)弱于陽(yáng)極界面處的 IMC 生長(cháng)。電流密度越大、溫度 越高，界面 IMC 的生長(cháng)速率越大。

對于 Cu/Sn/Ni 非對稱(chēng)結構，在液 / 固與固 / 固條 件下，界面 IMC 在電遷移過(guò)程中的生長(cháng)均呈現極性效 應，液 / 固條件下陽(yáng)極界面的生長(cháng)速率比液 / 液條件 下高一個(gè)數量級。電子風(fēng)的方向影響凸點(diǎn)中 Cu-Ni 的 交互作用，在固 / 固的電遷移條件下，Cu 原子只有在 順電子風(fēng)擴散時(shí)才能夠擴散到對面 Sn/Ni 界面并改變 界面 IMC 的類(lèi)型，在逆電子風(fēng)時(shí)無(wú)法擴散到對面 Sn/Cu 界面，對應的 IMC 為（Cu, Ni）6Sn5；Ni 原子無(wú)論 在順 / 逆電子風(fēng)下都無(wú)法大量擴散到 Sn/Cu 界面，在 150 ℃、104 A/cm2 的條件下，當 Ni 為陰極時(shí)會(huì )大量溶 解并與 Sn 原子生成塊狀 Ni3Sn4。在液 / 固的電遷移條 件下，原子擴散更快，Cu 原子在順 / 逆電子風(fēng)條件下 均能擴散到對面的 Sn/Ni 界面 IMC；Ni 原子只有在順 電子風(fēng)時(shí)可以擴散到對面 Sn/Cu 界面，逆電子風(fēng)時(shí)并 不 能 擴 散 到 對 面 Sn/Cu 界 面 ， 即 對 應 的 IMC 為 Cu6Sn5。 

對于 Ni/Sn3Ag0.5Cu/Cu 凸點(diǎn)而言，在電遷移作用 下凸點(diǎn)只存在一種失效模式，即當電子由基板（Cu）端 流向芯片（Ni）端時(shí)，電流擁擠效應導致基板端的 Cu 原子在電子入口處出現局部的快速溶解，并導致在陰 極界面處形成裂紋。在 150 ℃、104 A/cm2 條件下電遷 移 1 000 h 后，陰極 Cu 基板基本消耗完，裂紋貫穿整 個(gè)陰極界面。在 180 ℃、104 A/cm2 條件下經(jīng)過(guò) 143 h 電 遷移后，凸點(diǎn)已經(jīng)發(fā)生失效。當電子由芯片端流向基 板端（芯片端 Ni UBM 為陰極）時(shí)，陰極 Ni UBM 未發(fā) 生明顯溶解。無(wú)論溫度如何，電遷移都沒(méi)有引起凸點(diǎn) 失效。 

研究結果表明，IMC 界面的生長(cháng)動(dòng)力學(xué)符合拋物 線(xiàn)規律，而且電流密度越大、溫度越高，界面的生長(cháng)速 率就越大。然而，目前關(guān)于凸點(diǎn)的電遷移研究絕大部 分都集中在固 / 固電遷移方面。隨著(zhù)凸點(diǎn)尺寸的不斷 減小，通過(guò)凸點(diǎn)的電流密度越來(lái)越大，凸點(diǎn)中的電流 擁擠效應和焦耳熱效應更加明顯。凸點(diǎn)極易在電遷移 過(guò)程中發(fā)生熔化現象。因此，進(jìn)一步研究凸點(diǎn)在液 / 固 條件下的電遷移行為對理解凸點(diǎn)的失效機理起著(zhù)至 關(guān)重要的作用。 

隨著(zhù)互連密度越來(lái)越高，凸點(diǎn)逐漸向著(zhù)細節距、 微尺寸方向發(fā)展，熱疲勞可靠性問(wèn)題的影響越發(fā)突 出。為了應對這一問(wèn)題，諸多學(xué)者運用有限元分析 方法、試驗設計法（DOE）開(kāi)展了凸點(diǎn)的熱疲勞可靠性 研究，對解決實(shí)際工程難題有一定的指導意義。 

王健等發(fā)明了一種以硅為基板的微波芯片倒裝 封裝結構，該結構可以解決關(guān)鍵的微波芯片背面接地 問(wèn)題，并建立了三維有限元模型，在此封裝結構中進(jìn) 行了金凸點(diǎn)的熱疲勞可靠性研究。結果表明，關(guān)鍵金 凸點(diǎn)的最大等效總應變分布在硅與凸點(diǎn)的界面處。根 據其他學(xué)者的研究結果，選取了凸點(diǎn)高度、直徑和共 晶焊料片厚度作為影響凸點(diǎn)熱疲勞可靠性的重要因 素，通過(guò) 3 因素 3 水平 9 組正交試驗對結構設計進(jìn)行 了優(yōu)化，得出 3 個(gè)因素的影響程度依次為共晶焊料片 厚度＞金凸點(diǎn)直徑＞金凸點(diǎn)高度，對結構設計具有指 導意義。 

王健等還基于 Ansys Workbench LS-DYNA 軟 件，建立了包含鈍化層及凸點(diǎn)下金屬化結構的熱超聲 倒裝結構三維有限元模型。鍵合形成的 3 個(gè)階段中凸 點(diǎn)的運動(dòng)狀態(tài)和塑性應變變化如圖 7 所示。根據凸點(diǎn) 的運動(dòng)狀態(tài)將鍵合形成過(guò)程進(jìn)一步細分為 3 個(gè)階段， 分析了仿真得到的凸點(diǎn)、凸點(diǎn) / 焊盤(pán)界面及凸點(diǎn)下金屬化結構的應力、塑性應變分布及其在鍵合過(guò)程中的 變化規律，指出了熱超聲倒裝芯片鍵合可靠性的風(fēng)險點(diǎn)。

凸點(diǎn)界面結合的物理機制是研究倒裝芯片鍵合 工藝的關(guān)鍵。而常規的試驗技術(shù)手段難以直接測量局 部區域內的動(dòng)態(tài)應力、應變瞬態(tài)特性。此外，后摩爾時(shí) 代采用的新材料、新結構微互連凸點(diǎn)帶來(lái)了一系列新 的可靠性問(wèn)題。為了實(shí)現其工程化應用，需要通過(guò)合 適的仿真方式建立新的失效模型，探索綜合可靠性評 價(jià)和設計方法等。因此在后續研究中，凸點(diǎn)仿真的模 塊化和精細化是凸點(diǎn)結構設計與工藝開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。

凸點(diǎn)是先進(jìn)封裝中重要的要素之一，它的主要作 用是電氣互連和應力緩沖。從傳統的打線(xiàn)工藝發(fā)展到 倒裝焊接工藝，凸點(diǎn)起到了至關(guān)重要的作用。在當前 比較知名的先進(jìn)封裝技術(shù)中，凸點(diǎn)技術(shù)都是其中的關(guān) 鍵技術(shù)，如臺積電的 2.5D CoWoS（Chip on Wafer on Substrate）技術(shù)和集成式扇出型封裝（InFO）技術(shù)、英特 爾的嵌入式多芯片互連橋（EMIB）和 3D 邏輯芯片封 裝 技 術(shù) （Foveros）、三星電子的扇出面板級封裝 （FOPLP）和混合基板封裝（H-Cube）技術(shù)等，部分先進(jìn) 封裝形式如圖 8 所示[64]。在過(guò)去的 10 年間，先進(jìn)封裝 技術(shù)快速發(fā)展，涌現出 2D、2.5D、3D、3D+2D、3D+2.5D 等多種封裝方式，應用領(lǐng)域包括 5G、AI、可穿戴設備、 高性能服務(wù)器、高性能顯卡等?？偟膩?lái)說(shuō)，先進(jìn)封裝的 目的就是提升功能密度，縮短互聯(lián)長(cháng)度，提升系統性 能，降低整體功耗，而其中最為重要的環(huán)節之一就是 凸點(diǎn)制備以及互聯(lián)，因此凸點(diǎn)技術(shù)的開(kāi)發(fā)與優(yōu)化影響 著(zhù)先進(jìn)封裝技術(shù)的發(fā)展。

由于工藝技術(shù)的發(fā)展，凸點(diǎn)尺寸也變得越來(lái)越 小，單位面積芯片上的 I/O 引腳數量不斷增加，異構集 成微系統以及凸點(diǎn)制備工藝將繼續呈現體積不斷微 型化、功能密度不斷提高的發(fā)展趨勢。伴隨著(zhù)凸點(diǎn)互 連技術(shù)的不斷優(yōu)化，異構集成微系統產(chǎn)品有望獲得突 破，并對集成電路行業(yè)產(chǎn)生顛覆性影響。

電子封裝的小型化、輕薄化要求倒裝芯片的凸點(diǎn)尺寸不斷減小，更高密度的微凸點(diǎn)技術(shù)正在研發(fā)并轉向量產(chǎn)應用。但是隨著(zhù)凸點(diǎn)尺寸的減小，體積效應導 致物理、化學(xué)的影響更加顯著(zhù)，包括化學(xué)反應、金屬溶 解、化學(xué)勢梯度驅動(dòng)的擴散、電遷移、焦耳熱、熱遷移和 應力遷移，這些因素對凸點(diǎn)長(cháng)期可靠性影響的研究將 伴隨凸點(diǎn)尺寸的減小同步開(kāi)展。在材料選擇方面，盡 管 SnPb 凸點(diǎn)由于其具有低成本和高可靠性的優(yōu)點(diǎn)， 被最早應用于封裝互連中，但嚴格的禁鉛條例使封裝 行業(yè)研究者轉向了對無(wú)鉛凸點(diǎn)的開(kāi)發(fā)與應用，未來(lái)的 凸點(diǎn)材料既要滿(mǎn)足環(huán)保要求，也需要具有優(yōu)異的可靠性。在制備工藝方面，電鍍法由于具備工藝簡(jiǎn)單、成本 低、易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于凸點(diǎn)制備。隨著(zhù)凸點(diǎn)尺寸的進(jìn)一步縮小和密度的進(jìn)一步增加，需要開(kāi)發(fā)出更加合適的電鍍工藝，從而滿(mǎn)足不同的產(chǎn)品要求。

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