集成電路封裝材料-微細連接材料及助焊劑

微細連接材料及助焊劑濺射靶材三維集成是指通過垂直互連的方法將兩層或多層有源器件整合為單一的電路系統(tǒng)。與傳統(tǒng)集成相比，三維集成具有更高的集成度和更小的尺寸，并可實現(xiàn)異質(zhì)集成；三維互連是實現(xiàn)三維集成的關(guān)鍵，通過垂直方向的互連可實現(xiàn)微系統(tǒng)內(nèi)各模塊（處理器、存儲器、數(shù)字芯片等）之間的信號傳輸及互連的逐級放大，最終實現(xiàn)與芯片載體（基板）、印刷電路板的連接。三維互連主要包括片內(nèi)互連和片間互連。圖9-1三維互連的片內(nèi)互連、片間互連及互連節(jié)距不同層級的互連需要凸點尺寸不同，尺寸可以從數(shù)微米級到數(shù)百微米級，互連凸點材料也不盡相同。Intel倒裝芯片凸點：90nm工藝凸點節(jié)距為180mm，凸點材料為高鉛焊料；65nm工藝芯片凸點節(jié)距為175mm，凸點材料為銅柱凸點材料；22nm工藝芯片凸點節(jié)距為130mm，凸點材料為銅柱凸點材料。年份/年2018201920202121202220232024倒裝陣列-低端與消費類/μm150150130130130130130倒裝-成本端/μm11011011010010010090倒裝-高端/μm11010010090909090表9-1芯片-封裝互連節(jié)距路線圖三維集成中，芯片與芯片的層間互連、芯片與芯片載體（基板）的互連主要通過凸點或微凸點這樣的微細連接材料來實現(xiàn)。使用了更短和互連路徑，三維集成在功耗、帶寬等方面優(yōu)于傳統(tǒng)基于引線鍵合互連的封裝。焊料凸點互連工藝中會用助焊劑材料，根據(jù)是否要對殘留物進行清洗，可分為清洗型助焊劑和免清洗型助焊劑兩類。目錄9.1微細連接材料9.2助焊劑

9.1.1微細連接材料在先進封裝中的應用9.1.2微細連接材料類別和材料特性

9.1.3新技術(shù)與材料發(fā)展9.1微細連接材料先進封裝中，微細連接材料主要應用于三維集成中芯片與芯片的層間互連、芯片與芯片載體（基板）的互連，倒裝芯片封裝、芯片堆疊互連及大多數(shù)圓片級封裝中都會采用凸點實現(xiàn)互連。擁有芯片凸點制造能力的企業(yè)：英特爾、安靠、三星電子、日月光、矽品（SPIL）、長電科技（JCET）、通富微電、華天科技、蘇州晶方半導體、AEMtec、AdvancedPlatingTechnologiesonSilicon、村田（Murata）瑞薩（Renesas）、宏茂微電子等擁有倒裝封裝技術(shù)能力的封裝測試企業(yè)。9.1.1微細連接材料在先進封裝中的應用通用凸點按材料分：銅柱凸點（CuPillar）、金凸點（AuBump）、鎳凸點（NiBump）、銦凸點（InBump）等代表的單質(zhì)金屬凸點和以錫基焊料為代表的焊料凸點（SolderBump）及聚合物凸點。不同層級（芯片－芯片，芯片－芯片載體）的倒裝互連在實際應用中采用的互連節(jié)距存在很大跨度變化范圍。不同尺寸的凸點，制造方法也不相同。窄節(jié)距互連凸點制造技術(shù)：蒸發(fā)/濺射技術(shù)、絲網(wǎng)印刷技術(shù)（ScreenPrinting）、激光植球技術(shù)、電鍍技術(shù)、化學鍍技術(shù)、釘頭凸點技術(shù)等。9.1.2微細連接材料類別和材料特性9.1.2微細連接材料類別和材料特性圖9-2窄節(jié)距凸點尺寸與制造技術(shù)單質(zhì)金屬凸點按材料分：金凸點和銅柱凸點，特殊應用場合還有鎳凸點、銦凸點等；按工藝分，主要包括釘頭凸點（StudBump）和電鍍凸點。金凸點和銅柱凸點可以用電鍍方式制造，鎳凸點通常用化學鍍方式制造，銦凸點通常采用電鍍或蒸發(fā)薄膜的方式制造。9.1.2微細連接材料類別和材料特性9.1.2微細連接材料類別和材料特性圖9-3化學鍍方式制造的鎳凸點釘頭凸點材料主要包括金和銅，通常使用引線鍵合設備采用鍵合引線球焊的方法制造釘頭凸點。凸點直徑一般為鍵合引線直徑的2~3倍，目前能達到的最小節(jié)距為40mm。釘頭凸點可以直接在鋁焊盤上制造，在制造及互連工藝過程中均不需要凸點下金屬層，工藝較為簡單，但生產(chǎn)效率低，一般應用于引腳數(shù)較少的集成電路封裝產(chǎn)品中。9.1.2微細連接材料類別和材料特性9.1.2微細連接材料類別和材料特性圖9-4引線鍵合設備制造釘頭凸點工藝流程圖與焊料凸點相比，金和銅釘頭凸點具有以下特點：（1）釘頭凸點導電性好，就電阻率而言，常溫下鉛錫合金的電阻率約為22mΩ·cm，而金的電阻率為2.19mΩ·cm，銅的電阻率為1.72

mΩ·cm，相差一個數(shù)量組。（2）釘頭凸點互連能夠提供一種清潔的、無污染的界面，而傳統(tǒng)焊料凸點倒裝芯片互連工藝往往要使用助焊劑，會對界面造成污染，甚至元器件表面造成腐蝕，從而顯著降低了互連接頭的性能和可靠性。（3）釘頭凸點結(jié)構(gòu)中不需要凸點下金屬層，工藝較為簡單。（4）由于鍵合互連過程中沒有液相存在，在鍵合時不能實現(xiàn)自支準，因此釘頭凸點在封裝時對設備的對位精度要求較高。9.1.2微細連接材料類別和材料特性

9.1.2微細連接材料類別和材料特性（a）金釘頭凸點（b）銅釘頭凸點圖9-5釘頭凸點電鍍方式制造銅柱凸點是非常熱門的一種凸點制造方法，被認為是制造窄節(jié)距凸點的主要工藝。其凸點高度的一致性非常好，可靠性高，最小節(jié)距達到20mm以下，成為凸點制造主流方向。焊料凸點（SolderBallBump）一般為錫基的焊料形成的凸點，材料成分包括Sn及Sn-Pb,Sn-Cu,Sn-Ag,Sn-Zn和Sn-Bi等體系合金。組裝工藝簡單，在寬節(jié)距（≥100mm）情況下，焊料凸點應用最為廣泛。9.1.2微細連接材料類別和材料特性焊料凸點由于球形焊料的幾何尺寸限制及鍵合互連時的溢出現(xiàn)象，一般認為節(jié)距只能減小到100mm。隨著技術(shù)與設備發(fā)發(fā)展，節(jié)距可達到50mm甚至更低。Pb-Sn，無鉛焊料，Sn-Ag-Cu,熔點低、潤濕性好、低成本，Sn-3.0Ag-0.5Cu(Sn-3.0wt%Ag-0.5wt%Cu,SAC305)在日本電子制造業(yè)中廣泛應用，Sn-3.9Ag-0.6Cu在北美電子制造業(yè)中，中國主要用

SAC305。無鉛焊料熔點較高（高溫氧化），潤濕性差，需在加入助焊劑。9.1.2微細連接材料類別和材料特性9.1.2微細連接材料類別和材料特性圖9-6焊料凸點到窄節(jié)距凸點的變化焊料凸點制造方法：電鍍法、蒸發(fā)法、絲網(wǎng)印刷法及激光植球法。德國Pactech公司開發(fā)了激光植球（SolderBallPlacementandLaserReflowBumpingSBB）法，利用激光輔助焊球凸點直接在氮氣氣氛下回流并固定于焊盤上，適用于晶圓或芯片焊盤上的焊料凸點的制造，靈活性強，焊料凸點直徑為30~40mm。9.1.2微細連接材料類別和材料特性9.1.2微細連接材料類別和材料特性圖9-7Pactech公司的激光植球法原理聚合物凸點（PolymerBump）技術(shù)采用導電聚合物制造凸點，互連工藝溫較低，通常在140~170oC之間，遠低于焊料凸點的工藝溫度。由于工藝原因，聚合物凸點高度一致性好，可靠性高，設備和工藝相對簡單。但沒有自對準性能，在進行互連工藝前必須首先進行高精度對準。聚合物凸點技術(shù)主要應用于柔性器件封裝中，如液晶顯示中玻璃上芯片（COG）的封裝。由于高度一致性和材料生物兼容性，聚合物凸點技術(shù)在生物微機電系統(tǒng)器件中有廣闊的應用前景。9.1.2微細連接材料類別和材料特性聚合物凸點陣列（PolymerStudGridArrayPSGA）是由西門子與比利時微電子研究中心聯(lián)合開發(fā)的一種凸點制造技術(shù)。針對非導電膠技術(shù)中的一些弊端開發(fā)的。非導電膠互連中，微細導電顆粒的不一致性會導致I/O連接可靠性降低。聚合物凸點最大特點：凸點尺寸高度均一性。9.1.2微細連接材料類別和材料特性9.1.2微細連接材料類別和材料特性圖9-8典型的聚合物凸點制造工藝流程聚合物及金屬層刻蝕圖形化很關(guān)鍵，有干法刻蝕、濕法刻蝕和光刻成形技術(shù)。凸點尺寸精度和定位精度要求高，業(yè)界采用激光刻蝕制造成型凸點陣列模具，獲取窄節(jié)距陣列。9.1.2微細連接材料類別和材料特性與傳統(tǒng)焊料凸點相比，聚合物凸點優(yōu)點：（1）互連溫度低，通常在140-170oC之間，遠遠低于焊料凸點工藝溫度，節(jié)約生長成本。（2）凸點高度一致性好、有彈性，在互連過程中，凸點材料與基板材料CTE不匹配，但不會產(chǎn)生過大變形，聚合物凸點的機械和環(huán)境可靠性較好。（3）環(huán)境友好，聚合物凸點在加工過程中基本不產(chǎn)生對環(huán)境有害物質(zhì)。9.1.2微細連接材料類別和材料特性與傳統(tǒng)焊料凸點相比，聚合物凸點不足之處：（1）溫度和濕度上升時，聚合物凸點接觸電阻穩(wěn)定性變差，進而影響電互連的可靠性。（2）聚合物凸點的電阻和熱阻均比焊料凸點高，電阻過高會使電學性能惡化，造成信號延遲和損耗。同時過高的熱阻可能造成局部過熱，影響互連的熱可靠性。（3）聚合物凸點沒有自對準（Self-alignment）性能，在互連過程中需要進行高精度對準。9.1.2微細連接材料類別和材料特性9.1.2微細連接材料類別和材料特性圖9-9典型的聚合物凸點截面結(jié)構(gòu)1mm厚

辛辛那提大學（UniversityofCincinnati）采用絲網(wǎng)印刷方法制造了直徑為0.5mm，高度為150mm的聚合物凸點，用于CdZnTe探測器器件封裝，發(fā)現(xiàn)CdZnTe探測器在85oC、95%濕度環(huán)境下長時間運行良好。用于封裝導管型溫度傳感器器件，互連聚合物凸點的直徑為25mm，封裝后的溫度傳感器在氣態(tài)和液態(tài)環(huán)境中工作良好且性能長期保持穩(wěn)定。證實了聚合物凸點在微機電系統(tǒng)等特種器件封裝中的可靠性。9.1.2微細連接材料類別和材料特性日本千野株式會將樹脂核凸點技術(shù)應用于COG封裝，可以獲得節(jié)距為10mm的互連結(jié)構(gòu)。將20mm節(jié)距的凸點陣列用于封裝實驗工以熱循環(huán)法評估其可靠性。研究表明這種封裝結(jié)構(gòu)的初始接觸電阻比傳統(tǒng)COG封裝結(jié)構(gòu)還要小，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，其電阻增加不高，進一步驗證了聚合物凸點陣列的封裝可靠性。9.1.2微細連接材料類別和材料特性中國臺灣工業(yè)技術(shù)研究所（IndustrialTechnologyResearchInstituteITRI）制造出了尺寸為13mm×90mm×12mm的聚合物凸點，其外鍍0.4mm厚的金屬層，用于液晶顯示產(chǎn)品中非導電膜（Non-ConductiveFilmNCF）的互連。傳統(tǒng)NCF價格低廉、工藝簡單，但力學性能較差，樹脂芯凸點取代傳統(tǒng)NCF能提高互連的可靠性。在較低壓力下、較高互連溫度下，聚合物凸點陣列具有長期環(huán)境可靠性。9.1.2微細連接材料類別和材料特性聚合物凸點被認為是能替代焊料凸點的微細連接材料之一。聚合物凸點具有高度一致性和柔性等優(yōu)勢，在柔性器件封裝和微機電系統(tǒng)封裝中有較大應用潛力。9.1.2微細連接材料類別和材料特性9.1.3新技術(shù)與材料發(fā)展圖9-10微細封裝材料的技術(shù)發(fā)展路線圖新的凸點材料和結(jié)構(gòu)的技術(shù)方案1）超窄節(jié)距凸點德國漢諾威激光中心（LaserZentrumHannover）的Korte等人用飛秒激光誘導方法在鍍有金薄的石英上制造超窄節(jié)距的金凸點陣列。9.1.3新技術(shù)與材料發(fā)展新的凸點材料和結(jié)構(gòu)方案1）超窄節(jié)距凸點9.1.3新技術(shù)與材料發(fā)展圖9-11超窄節(jié)距的金凸點陣列2）Sn-In柔性凸點韓國電子通信研究所的Seong等人提出一種針對柔性封裝的基于Sn-In凸點新的低溫互連方法。采用無掩模絲網(wǎng)印刷方法將凸點漿料（SolderBumpMakerSBM）即樹脂和焊料顆粒的混合物涂覆在玻璃基板上，然后采用焊底部填充料（FluxingUnderfill）進行填充，經(jīng)過熱壓后形成互連，最后得到節(jié)距為20mm的互連結(jié)構(gòu)。助焊底部填充料起到助焊劑和填充劑的雙重作用，硬化劑與聚合物基體反應形成牢固連接，增強互連強度和可靠性?；ミB工藝溫度為130oC左右，非常有利于柔性器件封裝。9.1.3新技術(shù)與材料發(fā)展3）碳納米管柔性凸點華進半導體戴風偉等人采用低溫轉(zhuǎn)移方法制造用于集成電路封裝中的碳納米管柔性凸點。碳納米管具有一定的彈性和柔性，制造的凸點在一定程度上可以緩解互連中熱應力引起的失效問題。CNT具備優(yōu)秀柔性電學性能，包括超高的電導率和超過1.0×109A/cm2的電流密度，利用CNT制造的凸點具有良好的電傳輸性能，還可以解決凸點的電遷移問題。9.1.3新技術(shù)與材料發(fā)展碳納米管柔性凸點制造流程：在集成電路晶圓襯底上制造金屬薄膜并圖形化－－在金屬薄膜上垂直生長CNT－－致密化處理－－低溫轉(zhuǎn)移到無鉛焊料薄膜上－－獲得CNT柔性凸點。9.1.3新技術(shù)與材料發(fā)展凸點互連的極限發(fā)展方向是無凸點互連（BumplessInterconnectiona），東京大學賀唯知（Tadatomo）教授提出表面活化技術(shù)（SurfaceActivatedBonding），利用氬等離子體（Arplasma）轟擊或快速原子轟擊（FastAtomBombardmen,tFAB）等表面活化方法，在室溫下實現(xiàn)焊盤間的無凸點鍵合。

9.1.3新技術(shù)與材料發(fā)展9.1.3新技術(shù)與材料發(fā)展圖9-12采用SAB實現(xiàn)的無凸點互連Ziptronix公司提出直接鍵合技術(shù)（DirectBondInterconnect），利用SiO2之間的氫鍵實現(xiàn)室溫下預鍵合，再利用Cu和SiO2的熱膨脹系數(shù)不同，通過250~300oC下高溫退火實現(xiàn)Cu與Cu的無凸點鍵合。DBI已經(jīng)被臺積電應用于新一代集成芯片系統(tǒng)（SystemonIntegratedChips,SoIC）中。9.1.3新技術(shù)與材料發(fā)展9.1.3新技術(shù)與材料發(fā)展圖9-13采用DBI實現(xiàn)的無凸點互連焊料凸點應用于集成電路封裝互連時，被焊金屬表面的氧化層在互連過程中會阻礙熔融焊料的鋪展、降低焊料的潤濕作用。加入去除被焊金屬表面氧化物、促進互連的物質(zhì)，稱為助焊劑。是焊料凸點互連的關(guān)鍵輔助材料，其性能的優(yōu)劣直接影響凸點互連的質(zhì)量。9.2助焊劑9.2.1助焊劑在先進封裝中的應用9.2.2助焊劑類別和材料特性9.2.3助焊劑材料的發(fā)展9.2助焊劑助焊劑在封裝鍵合互連過程中的作用主要包括：（1）去除鍵合互連的金屬焊盤及焊料凸點表面的氧化膜。（2）降低鍵合互連工藝中熔融焊料的表面張力，提高潤濕能力。（3）防止在鍵合互連過程中焊料和金屬焊盤的表面再次被氧化。（4）有利于熱量傳遞到鍵合互連區(qū)。9.2.1助焊劑在先進封裝中的應用理想助焊劑材料：要具備較強的化學還原性、與金屬焊盤較強的黏附力及較弱的化學腐蝕性、流變性、常溫下的環(huán)境和化學穩(wěn)定性等，同時其在鍵合互連工藝后應容易被分解或被清洗去除且具備對通用清洗溶液和設備的適應性或直接免清洗。9.2.1助焊劑在先進封裝中的應用助焊劑主要由：活化劑、表面活性劑和溶劑組成?；罨瘎┳饔弥饕窃阪I合互連工藝的高溫下去除焊盤和焊料表面已有的氧化物并防止鍵合互連過程中的再次氧化。活化劑主要由一種或多種有機酸、有機酸鹽、有機胺（如三乙醇胺）或它們的復配成分組成?；罨瘎┑膹团渲竿瑫r選用幾種具有不同分解溫度的活化劑，分別對應鍵合互連的預熱階段和鍵合階段，這種復配能起到協(xié)同增效的作用，提高整體助焊能力。9.2.2助焊劑類別和材料特性表面活性劑的作用主要是減小熔融的焊料與焊盤表面的表面張力，加大表面的潤濕性，同時增強活化劑在鍵合互連表面的滲透能力。傳統(tǒng)的表面活性劑是含鹵素元素的化合物（主要是氯化物及氟化物），化學活性較強，考慮到鹵素元素的強腐蝕性及對環(huán)境和互連界面的殘余影響，現(xiàn)在的表面活性劑主要是不含鹵素元素的脂肪酸族或芳香族的非離子型有機物。9.2.2助焊劑類別和材料特性溶劑的作用主要是溶解助焊劑中的多種固體材料組分，將助焊劑混合成均勻的溶液，同時可以調(diào)整助焊劑的黏度等物理特性以面向不同的助焊劑涂覆工藝（如絲網(wǎng)印刷等）。溶劑一般是醇類、酮類和酯類等有機物中的一種或幾種的混合物，主要包括乙醇、丙醇、丙酮、乙酸乙酯及乙酸丁酯等，醇類有機物屬于易揮發(fā)、易燃有化合物，在儲存及使用過程中存在安全隱患，且長時間存放會造成助焊劑黏度的改變，影響助焊劑的正常使用，逐漸被酮類和酯類有機物替代。9.2.2助焊劑類別和材料特性助焊劑會根據(jù)鍵合互連工藝及凸點材料的具體要求而增加不同的添加劑，包括成膜劑、抗氧化劑、防腐蝕劑、消光劑、細菌抑制劑等。單一的材料組分僅僅局限于單一的特定功能，有著協(xié)同增效作用的復配組分的助焊劑越來越受到市場關(guān)注。按照焊后是否需要對殘留物進行清洗，分為清洗型助焊劑和免清洗型助焊劑。隨著互連節(jié)距越來越小，免清洗型肋焊劑成為必然。可免除清工藝設備和材料成本，縮短流程，提高生產(chǎn)效率，且不會帶來環(huán)境污染問題。9.2.2助焊劑類別和材料特性類型主要成分行業(yè)標準優(yōu)點缺點

清洗型溶劑型活化劑：松香型樹脂、非水溶性有機物，另外包括一些含鹵素或不含鹵素的活化劑溶劑：非水溶性有機溶劑錫焊用液態(tài)焊劑（松香型）行業(yè)標準：外觀透明；非揮發(fā)物含量≤15％；水萃取液電阻率≥5×104Ω·cm；擴展率≥75％；表面絕緣電阻≥108Ω固體成分含量高，活性高，鍵合互連特性強，易成膜保護互連界面，潤濕性能好清洗需要用氟氯碳化合物，成本高且不環(huán)保水溶型活化劑：松香型樹脂、水溶性有機物/無機物，另外包括一些胺類、氨類活化劑溶劑：水溶性有機溶劑含鹵素或有機酸，助焊效果較好，浸潤性能好，成本低延時清洗效果差，助焊劑活性強，具有腐蝕性，鍵合工藝后水洗效果較差免清洗型溶劑型活化劑：松香型樹脂溶劑：醇醚類等有機溶劑免清洗液態(tài)助焊劑行業(yè)標準：外觀無色透明；非揮發(fā)物含量＜2％；無鹵素；擴展率≥80％；表面絕緣電阻≥108Ω免除清洗工藝，焊后板面無漏電或后續(xù)腐蝕現(xiàn)象，釬焊質(zhì)量好。以松香為活化劑，化學腐蝕性較強，有殘留；以易揮發(fā)的有機化合物為溶劑，不環(huán)?；罨瘎河袡C酸、胺類溶劑：醇醚類等有機溶劑水溶型活化劑：有機酸、胺類、一些鹵化物溶劑：水添加一定量的助溶劑，包括醚酯或萜烯類等水的表面張力大，使得助焊劑的潤濕性能較差9.2.2助焊劑類別和材料特性表9-2目前使用的助焊劑的類別及其主要特點免清洗型助焊劑不