纲目：开云体育

跟着轻量化、袖珍化及模块功能万般化的发展，由二维平面到三维高度上的先进封装技艺应时而生。微凸点当作收场芯片到圆片异构集成的重要结构，可灵验箝制信号传输距离，提高芯片性能。运用电千里积法在 Si基板上以 Cu作守旧层、Ni作抵牾层淀积微米级别的 Au/Sn凸点，所制得的多层凸点直径约 60 μm、高度约 54 μm，其高度可控、尺寸可调，并商量了 Die内凸点高度的一致性，同期对凸点进行了剪切强度和推拉力测试。扫尾标明，Die内凸点高度均匀性≤2%，剪切力可达 61.72 g以上，与化合物芯片（另一侧为 Au）键合后推拉力可达 7.5 kgf，可收场与化合物芯片的灵验集成。

引子

跟着异构集成模块功能和特征尺寸的约束增多、芯片尺寸的约束减小，I/O 数目相应大幅增多，对芯片的布线密度建议了愈加尖刻的要求。三维异构集成技艺的出身为此提供了处逸想路［1⁃3］，通过对立体空间的充分运用收场高密度、多材料的芯片堆叠，在箝制功耗、提高性能的同期使得电子居品的尺寸和质地得以大幅缩减［4⁃6］。而金属/焊料微凸点之间的互连是收场芯片三维叠层的重要，为了提高芯片三维叠层封装互连的可靠性，制备出具有高互连可靠性的微凸点对微电子封装技艺的进一步发展具有垂死的作用。

与传统的引线键合比较，凸点结构使得互连长度更短，互连电阻和电感更小，器件的电性能得到了较着提高和改善。与此同期，芯片责任时产生的热可通过凸点奏凯传到基板上，大幅提高了散热性能。更为垂死的是，凸点可呈附近式和面阵式分散，提高了封装密度，缩减了封装体积。以 Au/Sn合金为例，当作半导体后说念封装中常用的焊料之一，因其优良的导热和导电性、润湿性、耐腐蚀性和抗蠕变性以及在焊合中无需助焊剂等优点在三维封装技艺中得到了闲居应用［7⁃8］。关于 Au/Sn 合金而言，比例适度至关垂死，这将决定金属间化合物的组合，从而决定键合的质地，比例的互异将导致膜组成发生变化而脱离共融数值，从而箝制键合特质［9］。

当今，因凸点下金属层（UBM）和凸点千里积工艺的不同，相应的凸点制备工艺存在较大互异。常用的凸点制备技艺主要包括：挥发/溅射千里积法、丝网印刷法、植球法和电千里积法等。跟着凸点尺寸及节距的减小，丝网印刷法、植球法等的本钱急剧上涨，电千里积法成为小尺寸微凸点制备的独一摄取［10］，具有工艺简短、易于批量坐褥及凸点定位精准等优点。

本文运用电千里积法在 Si 基板上以 Cu 作守旧层、Ni作抵牾层淀积微米级别的 Au/Sn 凸点，前者用于增多凸点高度，后者用于收场芯片互连。在对其外不雅描述进行监测的基础上商量单个电路单元（Die）内凸点高度的一致性，同期对凸点进行干系性能测试，主要包括剪切强度和推拉力测试，以评估该工艺要领下所制备的 Au/Sn凸点的可靠性。

1 履行

1.1 试样制备

以直流模式从下到上轮番进行 Cu⁃Ni⁃Au/Sn四层金属凸点材料的淀积，举座高度适度在 50 μm掌握。其中，Cu⁃Ni⁃Sn的电千里积由德国微电镀技艺（MOT）公司所坐褥的电镀系统完成，Au 的淀积由上海新阳晶圆水平电镀系统完成，相应的药水均由对应厂家提供。工艺经过中，在守护添加剂浓度适合的前提下通过调整电流密度、电流值及工艺时代，以改善凸点名义描述及高度的一致性，进而对干系工艺参数进行固定。需要指出的是，本文所制得的 Au/Sn凸点的高度及厚度比例是经过筛选的，包括 Au/Sn=6 μm/4 μm，6 μm/5 μm，6 μm/6 μm，8 μm/7 μm，10 μm/10 μm 及 5 μm/5 μm 等。最终的考证扫尾标明，Au/Sn比例接近于 1/1，Sn层高度适合（5~6 μm）时，后果相对较优。具体工艺参数的设定与圆片的占空等到方向高度接洽，故此处仅讲明干系的电流密度，具体为：Ni ⁃ 2.5ASD、Au ⁃0.3ASD、Sn⁃2ASD（ASD，指电极单元面积所通电的安培数，常以 A/dm2 示意），并凭据测试扫尾进一步细目工艺时代。当作守旧层的 Cu层较高，关于通盘凸点高度的一致性起着决定性影响，故需对淀积Cu 的工艺参数进行一定筛选。若不议论干系前置工艺，四层金属凸点的电千里积经过如图 1所示。

1.2 检测要领

试样工艺完成后去胶、腐蚀、甩干，并进行干系检修，主要包括：运用金相显微镜不雅测 Au/Sn 凸点名义描述；采取 P⁃17 台阶仪测量圆片及 Die 内凸点高度，并计较高度一致性；制样后运用扫描电子显微镜（SEM）不雅测凸点举座描述及各层金属厚度；运用剪切力测试设立测试其剪切强度；在与化合物芯片键合后（另一侧为 Au）运用拉力测试安设进行推拉力测试，以评估其键合质地。

2 扫尾与分析

2.1 重要工艺参数筛选

凸点各层金属从下到上永诀为 Cu/Ni/Au/Sn，当作守旧层的 Cu层较高，关于通盘凸点高度的一致性起着决定性影响。因此，最初对 Cu淀积时的工艺参数进行筛选，此处中式重要工艺参数，即电流密度，以商量不同电流密度下圆片内九点区域处（从上至下、从左到右）Cu/Ni凸点的高度互异，并对圆片内凸点的一致性进行考证，具体扫尾见表 1。扫尾标明，3ASD 下电千里积速度约为 0.6 μm/min，5ASD 电千里积速度约为 1.0 μm/min，这一数值同表面 Cu 电千里积速度相吻合。但因表面占空比与实质值存在互异，故实质高度值与表面值有所偏差。同期，受限于机台，在调换工艺条件下 Cu/Ni凸点的片间重叠性较差。不错明确的是，就一致性而言，3ASD下 Cu/Ni凸点的片内均匀性相对较优。

为进一步对比不同电流密度下 Cu/Ni凸点的互异性，永诀对 3ASD 和 5ASD 下所制得的微凸点进行划片后不雅测，扫尾如图 2 所示。扫尾标明，3ASD下所制得的凸点较为平整，名义无较着歪斜。这是因为跟着电流密度的增多，阴极极化作用随之增强，但当其过高时，镀层名义分散极不均匀平整，各点间滋长速度存在互异，进而导致镀层质地下跌。因此，详尽议论时代本钱和镀层质地，本文摄取3ASD当作最好电流密度。

就芯片到圆片的堆叠（D2W）工艺而言，Die 内凸点高度的一致性较片内均匀性而言更为垂死，故进一步对 3ASD 下九点区域处 5 相连 Cu/Ni凸点的一致性进行测量，此处选#2片，具体扫尾见表 2。扫尾闪现，天然片内均匀性欠安，但各个区域内 Cu/Ni凸点高度波动不大，5相连凸点（A⁃E）高度均匀性最高不进步 0.7%，此处一致性计较要领为：最大偏差/均值/2×100%。

2.2 描述分析

采取直流模式进行电千里积工艺，在 Cu柱尖端进一步千里积一层 Ni进而制备 Au/Sn 凸点，其中，Ni作抵牾层。电千里积工艺所得 Au/Sn 凸点如图 3 所示，其直径约为 65 μm，名义圆滑，尺寸均匀，可见分层较着。需要耀眼的是，Au 电镀液含氰，所用光刻胶存在不耐受的问题，故在电千里积 Au 时存在幽微的外扩傲气，因此，在工艺开导时需议论外扩量，以保证 Au/Sn层厚度均稳定要求。

2.3 高度均匀性分析

上述对最好电流密度进行筛选时，但尚未对淀积 Au/Sn后通盘凸点的一致性进行考证，故在圆片内立地抽取 1 个 Die，其中共包括 183 个凸点，运用台阶仪测量统统 Au/Sn 凸点的高度，扫尾见图 4。测量扫尾闪现，在抽取的单个 Die内，Au/Sn凸点高度分散于 54.07~54.61 μm 之间，最大偏差不进步0.54 μm，高度均值为 54.34 μm，一致性高达 0.5%。

凸点举座高度关系着能否键合充足，而 Au/Sn凸点比例适度则决定着键合质地。为更精准地获得 Au/Sn 各层高度，划片后对其进行截面分析，得到如图 5所示的 Au/Sn凸点剖面图形。图中，Cu层与 Au层之间存在明晰的界面，而 Ni层与 Cu层之间的界面并不明晰。一方面，Ni层相对较薄；另一方面，制样经过中的切削在一定进度上对 Ni层有所笼罩。一样，由于自扩散作用的存在，Au相与 Sn相之间的界面相对蒙胧，若忽略测量过失，Au相与 Sn相的厚度比例约为 5.95 μm/5.13 μm，接近于 1/1。

为更好地分析此工艺条件下 Au/Sn 凸点的比例是否合适，对样品进行了回流，回流条件为280℃，回流后得到的 Au/Sn 凸点描述如图 6 所示。由图可见，回流后 Au/Sn 凸点呈“蘑菇状”，名义圆滑，酿成了较着的 Au/Sn 共晶组织。同期，上层金属 Sn 在回流后未沿凸点旯旮外溢，标明 Sn 含量相对合适。

2.4 剪切力测试

关于微凸点工艺可靠性而言，剪切强度是揣测封装质地的一个垂死估量打算。为评判圆片内凸点的举座剪切强度，立地抽取 40只芯片，运用剪切测试仪对单个凸点的剪切力进行检修，剪切位置约莫位于凸点从下到上 1/4处。履行依据法式条件为检修法式GJB548B，测试数据如表 3所示。测试扫尾标明，单个凸点剪切力的平均值为67.74 g，最大值为71.40 g，最小值为 61.72 g，举座数值进出不大。由此可见，底层金属 Cu 镀层质地相对风雅，个体互异较小，这少许同电千里积Cu后的表不雅描述不雅测扫尾相吻合。

2.5 键合界面分析

共晶键合的质地和可靠性很猛进度上依赖界面金属化合物（IMC）的组成及微结构。因此，将加工有 Au/Sn凸点的 Si基芯片与化合物芯片（另一侧为 Au）进行键合，并对键合界面进行分析，键合界面如图 7 所示。由图可见，键合后可见较着的 Cu⁃Ni分层及 Ni⁃Au/Sn 化合物分层，前者是因为电千里积Cu后未实时进行 Ni层的淀积，导致 Cu层名义存在氧化。同期，不存在上层金属 Sn沿凸点旯旮多数外溢的傲气，标明 Sn 含量相对合适，但因制样问题界面较为鄙俗，未见较着的 Au/Sn共晶组织。

为更好地细目键合后界面金属的组成，采取SEM 对采选的 7 个区域的界面金属进行了身分分析，通过光谱细目界面共晶体的化学身分，从而判断化合物组成组成神色，数据扫尾见表 4。由表可知，区域 1、2均为电千里积所制备的 Cu层；区域 3为电千里积所制备的 Ni层；区域 4为 Ni与 Au/Sn化合物界面，若仅议论 Au/Sn 共晶相，因扩散作用酿成了ε相［6］（AuSn 2 ），该相具有较大的脆性；区域 5、6 都酿成了ξ相（Au 5 Sn），厚度相对较厚，可灵验保证键合强度。Au/Sn相图标明，富 Sn的η（AuSn 4 ）最初酿成于217℃，ε相（AuSn 2 ）酿成于 252℃，δ相（AuSn）酿成于281℃，而在278℃时，共晶组织跟着δ和ξ的液相悖应驱动回荡，跟着温度的进一步升高，ξ相将接续滋长，且晶相滋长机制不再发生变化。因 Ni的导热性弱于Au，故在纠合 Ni层的区域 4 多酿成ε相。需要耀眼的是，区域 4处γ相 AuSn 2 若与 Ni反应生成（Au，Ni，Sn）这一复杂的三相金属间化合物，其焊合后果将大大箝制，这少许仍需后续进行履行论证。

2.6 推拉力测试

为更直不雅地反馈键合质地，加工有 Au/Sn凸点的 Si基芯片在热回流后将其与化合物芯片（另一侧为 Au）进行键合，并对键合后的通盘芯片进行推拉力测试，此处键合款式为 D2W，具体推拉力测试扫尾见表 5。扫尾闪现，键合后的通盘芯片推拉力均值为 8.211 kgf，最小值为 7.610 kgf，均在 7.5 kgf 以上，稳定＞5.0 kgf的使用要求。同期进一步检修其键合质地，Au/Sn单个凸点的直径约为 65 μm，化合物芯片与之对应的键合区域为边长约 80 μm 的正方形，故单个键合区域面积为 3.318×103 μm 2 ，通盘 Die内共 183 个凸点，通盘键合区域面积为 6.10×10-7m2 ，平均键合强度为 134.6 Mpa。

3 论断

运用电千里积法在 Si 基板上以 Cu 作守旧层、Ni作抵牾层淀积微米级别的 Au/Sn凸点，制得的多层金属凸点直径约 60 μm、高度约 54 μm，其高度可控、尺寸可调，Die 内凸点高度一致性≤2%，灵验改善了高尺寸下金属凸点的均匀性，使得与异质芯片D2W 互连的可靠性提高。同期，通过前期对 Au/Sn比例的筛选，细目 Au/Sn 实质比例接近于 1/1 时后果相对较优，经回流后可酿成名义圆滑的“蘑菇状”凸点，共晶组织较着，与化合物芯片键合后发现界面多为 Au 5 Sn 相。此外，剪切力和推拉力测试扫尾标明，最小剪切力为 61.72 g，举座数值进出不大，键合后推拉力达 7.5 kgf及以上，为收场不同身形芯片的异质异构集成打下了风雅的基础。

#深度好文研究#开云体育