在倒装芯片工艺中锡铅钎料的反应

K.N.Tu,K.Zeng/Tin-lead(Sn-Pb)solderreactioninflipchiptechnologyMater.Sci.andEng.R1在倒装芯片工艺中锡铅钎料的反应K.N.Tu,K.Zeng摘要：基于形态学，热力学和动力学等方面大量可靠的数据，对SnPb钎料和Cu，Ni，Au，Pd这四种金属中任意一种发生的锡铅钎料反应进行了综述。大块和薄膜两种形式金属的钎料反应进行了考察和对比。而且是在钎料熔点之上或之下发生的反应也已加以思考和比较。在熔化钎料和金属间的润湿反应中，金属间化合物的形成率比固态钎料和金属反应的速率快3-4个数量级，而且这种速率被金属间化合物形成时的形态所控制。在熔化的SnPb和Cu或Ni的润湿反应过程中，金属间化合物的结构为扇贝型，其在固态老化时呈层状。在扇形中间有一个通道，它促使原子快速扩散和获得非常快的化合物形成率。在层状形态中，化合物层自身对扩散造成阻碍，减慢反应速度。类似的，在SnPb和Au或Pd之间也存在此种形态改变。润湿反应中的扇形和固态时效状态下的层状形态具有稳定性，可以通过表面和界面能最小化原理来解释。这种液相金属间化合物形成的不常见的高速率是通过自由能改变率来解释，而不是自由能的改变进行解释。同时综述中还包括金属多层作为球下金属植层，比如Cr/Cu/Au，Al/Ni(V)/Cu和Cu/Ni合金薄膜。关键词：钎料反应；倒装芯片工艺；扇贝形；金属间化合物形成1.引言钎料反应是连接金属最古老的冶金工艺之一，今天，在现代微电子工艺中对钎料反应的利用也是无所不在的：在电路板制造中，利用钎料把芯片的主架构连接到主板上；在倒装芯片工艺中，钎料直接把芯片连接到主板上；在电子消费产品中预期会使用更多的倒装芯片工艺（图1）。因此为了成功的应用该工艺，就要对钎料反应作一个系统的研究。在这次研究中，我们先讨论为什么我们在芯片—基板封装中使用钎料以及为什么在钎料使用几百年以后，钎料反应仍然为大家研究的热点。在电子工业中两个关键的技术是芯片技术和封装技术，此处芯片技术的重要性就不再详述，封装技术的重要性正开始被关注。没有先进的封装技术，微米级芯片技术在速度和功能上的先进性就大大的被减小。倒装芯片工艺在计算机主机制造中已获得很大的成功，并且已延伸到一个很广泛的，各种各样的无线移动电子消费品领域中。这些微型机器的功能和用法变得非常尖端，怎么把这些非常先进的芯片封装在便携式设备内的一张卡或一块主板上变得非常具有挑战性。为了理解这种挑战性，我们从芯片内部连接的两个简单因素开始。今天的大规模集成电路硅片中的铝或铜线仅仅0.5μm或更少。假设在两个平行金属线之间的空间也为0.5μm，那么共占用空间为1μm，因此在1cm2的芯片上我们有10000根线。每一根线都长1cm，这就意味着在每一层上金属线的总长度是100m。由于我们在一个芯片上布6-7层金属线路，如果我们把层与层之间的可连接长度累加起来，我们就会发现，在1m2芯片上相互连接的线路长度将是1km！这是第一个事实。为了给芯片上这些金属丝提供电导线，我们在逻辑芯片表面需要做几千个I/O焊盘。唯一可实行的办法是使用焊点球栅列阵。我们有50μm直径的焊点小球，焊点间距也是50μm，所以每个焊点所占长度空间是100μm，我们在1cm上能放100个焊点小球或在1cm2上能放10000个小球。另外，第二个有关联的因素是我们在芯片表面有10000个I/O口或钎料小球，由于期望这种小尺寸焊点小球的应用，在1999年国际半导体工艺电路图组织（ITRS）确认倒装芯片工艺为重要的研究课题，这些课题是与制造业中的产品及使用方面的可靠性是密切有关的[1]。什么是倒装芯片？什么是制造和可靠性问题？广泛的说，把芯片电路和外部电路连接在一起有两种方式：一种是通过金属线连接；另一种是通过焊接凸点。图2a显示了通过金属K.N.Tu,K.Zeng/Tin-lead(Sn-Pb)solderreactioninflipchiptechnologyMater.Sci.andEng.R2线连接在主架构上的硅芯片简图，其中主架构的腿利用表面安装技术或针孔技术焊到电路板上。芯片的超大规模集成（VLSI）边在用金属线固定时颠倒了，因为金属线固定需要超声波振动，在结合过程中使用的压力可以损坏结合区域周围或底下的结构，所以他必须在芯片的周围边线上安装，而远离芯片中心区起作用的VLSI区。即使我们在100μm内布一根50μm的金属线，我们也仅能在1cm2大的芯片周围设计400个I/O，它比10000个钎料球少的多。其中，这些小球被安装或电镀在同样大的芯片面积上。在放置钎料小球于起作用的VLSI区是没有压力问题。图2b显示了在芯片表面的BGA列阵。为了把芯片连接到基体上，芯片将会被倒装在上面，因此它被称为倒装芯片，并且芯片的VLSI被上下倒置。图1从1999年到2007年世界范围内倒装芯片技术的消费量图2(a)主架构上硅芯片引线连接的简图(b)芯片表面的BGA钎料球国际半导体工艺电路图组织[1]已提出Si工艺将能在未来2-3年后促进新一代产品的诞生。为了与芯片工艺保持同步，封装技术必须提高。因此，在封装基体时，电路密度和I/O的数量必须增加。在当今展出的先进芯片的电路图中，使用2000个I/O焊盘，这个数量被指出：在2014年将超过7000个。倒装芯片工艺是仅存的能适应每个芯片上有大量I/O要求的工艺，它有合理的效益和可靠性。K.N.Tu,K.Zeng/Tin-lead(Sn-Pb)solderreactioninflipchiptechnologyMater.Sci.andEng.R31.1IBM公司C-4工艺的发展史在IBM公司的计算机主机中，倒装芯片工艺被他们应用于封装芯片。它起源于“可控塌陷的芯片连接”中或“IBM公司的C-4工艺”中。自从19世纪60年代[2-4]，他们就把芯片连接到陶瓷复合板中。在我们回顾这项独一无二的C-4工艺的特点时，我们将讨论在C-4工艺改革中的一件事，那就是：这种钎料连接的的可靠性。由于对C-4工艺的详细讨论及其历史演化，读者可以参考Puttlity和Totta近期所作的综述[5]。此处要讨论的是由钎料反应产生所导致的AgPb薄膜电极的腐蚀性问题。在19世纪60年代晚期，当大规模集成电路的硅工艺开始时，IBM公司使用80Ag20Pd薄膜合金做为电极，它被用在陶瓷复合板中来封装单个硅片[6,7]：在陶瓷复合板表面有16个电极，如图3。在AgPb电极的根部，两玻璃细长片安装在电极间，作为玻璃挡板容纳熔融钎料。熔化的钎料不能润湿玻璃表面，故而它将在两玻璃条之间形成球形。熔化钎料的表面张力自动的把芯片拉入电极阵列中，球的高度和陶瓷之间保持一定的距离。钎料是成分为90Pb10Sn的高铅钎料。自动芯片连接工艺非常成功。然而发现，在实际使用过程中玻璃挡板附近有Ag2Sn腐蚀物产生，导致计算机失效。这是没有预料到的，因为向AgPb中加入重量20%的Pd的目的是阻碍Ag的硫化腐蚀物。由于腐蚀的产生，就需要游离的Ag与S反应。而S在外界大气中就含有，问题是游离的Ag来自那里？回答是来自钎料反应。图3单晶片陶瓷模块16焊点连接芯片和模块优化结构，陶瓷模块大小1cmx1cmAgPd电极具有SnPb低熔共晶的光洁度。高铅钎料球中的铅完全消耗AgPd合金中的Pd来形成Pb2Pd化合物并析出游离态的Ag。反应时自由能转换的热动力学计算显示：Pb能几乎消耗合金中的所有Pd，因为Pb2Pd化合物有一个很高的形成自由能。一个对比发现：Pb没有消耗80Ag20Au合金中的Au，因为这个Pb2Au化合物形成自由能很低。基于这些反应的研究，腐蚀问题通过使用AuAgPd三元合金解决[8,9]。尽管在三元合金的焊点形成中，钎料仍能与Pd反应，但是Au保留在合金中从而保护Ag不被腐蚀。作为一个相关的问题，发现Pb实际上与AgPd即使在室温时也会发生脱合金成分腐蚀反应，这是出人意料的[10]，这是因为如果我们打算把Ag和Pd合金化，由于AgPd合金相中互相扩散很慢，我们必须在450℃左右进行退火。每个原子相互扩散的活化能都是在2ev以上，那么在他们合金化后，问题就成为他们为什么能被Pb那么容易被脱合金腐蚀？这就导致扩散－诱发－晶粒－边界－电子游离现象或“DIGM”。AuAgPd电极被印刷在陶瓷复合板表面，因此在单个芯片模块中有很低的金属线路密度，如图3所示。但随着大规模集成电路芯片的发展，需要高密度的电路封装，这导致了在计算机主机中多层金属陶瓷复合模板的发展和多层芯片复合的产生。在多层金属陶瓷复合模块中，许多层金属Mo线被埋装在陶瓷层中，这些模板的每一个都能承放100块芯片。几个这样的陶瓷复合模板就能连接成一个印刷电路板，这就产生了计算机主机中两层封装，简图如图4a所示。它由芯片－陶瓷复合模板封装和陶瓷复合板－树脂板封装层组成。在第一层芯片与陶瓷复合模板封装层中，芯片上有限金属镀层和球下金属植层都是Cr/Cu/Au三层薄膜。实际上在这层中，Cr/Cu层有一个渐变相微观结构，是为了提高Cr和Cu的粘接力，加强它的阻碍钎料反应以便能够承受几次重溶[11,12]。在陶瓷表面的UBM是典型的Ni/Au层，K.N.Tu,K.Zeng/Tin-lead(Sn-Pb)solderreactioninflipchiptechnologyMater.Sci.andEng.R4这个连接两个UBM的钎料是高Pb合金，比如95Pb5Sn或97Pb3Sn。焊点的横截面简图在图4中显示。芯片凸点能通过蒸发沉淀，也可通过垂直刻录或选择性的电镀录制出。它的熔点300℃以上，在第一次重溶中（大约350℃），在UBM上获得球形焊点。BIM是在SiO2表面被刻录出来，如图4b所示。因为SiO2表面不能被溶化金属润湿，熔熔焊点的基体受BIM尺寸的限制，因而钎料小球放置到钎料球限制性金属植层上，所以说当钎料量给定后，BIM或UBM控制凸点尺寸（高度和直径）。在二次重熔中，焊点把芯片连接到陶瓷板上。也是在二次重熔中，熔化钎料的表面能提供了自我调整力自动将芯片定位在陶瓷板上正确的位置。注意到钎料为很高熔点，然而，芯片和陶瓷都能承受高温而不会出现问题。补充一点，高Pb钎料与Cu反应形成Cu3Sn层，它能持续到好几次重溶过程结束而不会破坏。我们注意到，在Cr/Cu/Ag三层金属层中，每层金属之所以这样选择都是有特殊的理由。首先，钎料不能润湿Al丝，所以Cu被选择，因为它可以形成金属间化合物（IMC）；再者，Cu与SiO2绝缘体表面连接性不好，所以选择Cr作为Cu和SiO2之间的粘接层。IBM公司发展这种Cu/Cr层渐变相结构来提高Cu与Cr的连接强度，因为Cr和Cu难以混合，当他们共同沉积时，他们的颗粒形成一个互锁的微观结构。Cu/Cr层渐变相微观结构的晶格图将在第7部分讨论。在这种结构中，Cu和Cr连接良好。对Cu来说，在重熔中，它分离出去进而与Sn反应生成IMC也是很难的。此外，这种微观结构提供了IMC的一个机械互锁。最后，Au被用来作为钝化层表面来阻止Cu的氧化和腐蚀，它也同时作为促进钎料润湿的表面层。图4(a)两阶段封装截面示意图；芯片和陶瓷模和陶瓷和聚合物板，其中为BGA阵列(b)C-4钎焊接头和金属化芯片截面放大图在第二层陶瓷板到树脂板的封装中，应用SnPb低熔点共晶（183℃）钎料，它能在220℃重熔。很明显，在该重熔中，第一层中的高Pb焊点不熔化。1.2为什么倒装芯片中的钎料反应是研究的热点？尽管这种两层封装对IBM公司计算机主机来说工作的很好，但对于要求低成本，大批量生产的消费品来说，它太昂贵。为了减小消耗，在电子工业中，人们想去掉陶瓷板或第一层封装而直接把芯片连接到树脂板上，这就是“直接芯片连接”或“有机工艺倒装芯片”。由于树脂层有一很低的非晶态过渡温度区，而对于芯片连接来说，重熔温度很低，因此低熔点共晶钎料将被应用。在倒装芯片中钎料反应有一个左右为难的问题。一方面，为了获得成千上万个焊点同时连接，我们需要一很快的钎料反应速度；另一方