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一講到“倒裝芯片（Flip-Chip，簡(jiǎn)稱：FC）”，相信同行的朋友們并不陌生，它是一種無(wú)引腳結(jié)構(gòu)的芯片封裝技術(shù)。一般含有電路單元，它將芯片有源面（即帶有電路的一面）朝下，通過(guò)凸點(diǎn)與基板直接連接，而不是傳統(tǒng)的引腳連接方式。其原理是在芯片的 I/O 焊盤上直接沉積，或者通過(guò) RDL 布線后沉積凸塊（包括錫鉛球、無(wú)鉛錫球、銅柱凸點(diǎn)及金凸點(diǎn)等），然后將芯片翻轉(zhuǎn)，進(jìn)行加熱，使熔融的焊料與基板或框架相結(jié)合，將芯片的 I/O 扇出成所需求的封裝過(guò)程。

因?yàn)樾酒寡b（FC）焊工藝采用焊料凸點(diǎn)式的芯片鍵合,也稱為可控塌陷芯片連接,這種倒裝技術(shù)為微電路器件提供了一種高密度、低電感的導(dǎo)電路徑,芯片倒裝焊接由三部分組成：芯片表面的凸點(diǎn)下金屬層(UBM)、基板表面的頂層金屬層(TSM)、焊料球。芯片與焊料球的結(jié)合如圖所示、芯片倒裝（FC）焊位置如下圖所示：

而芯片表面的UBM 焊盤,由起著不同作用的三層金屬膜構(gòu)成：芯片焊盤表面的黏附層、焊料潤(rùn)濕層、氧化保護(hù)層。倒裝焊一般采用載流焊工藝,焊球通過(guò)固→液→固的變化,使焊料球牢固地與芯片鍵合在一起,典型的焊球尺寸是寬 100~250μm,高50~200μm。焊料球多采用PbSn、PbIn兩類焊料;UBM多層金屬結(jié)構(gòu)中,黏附/阻擋層采用Cr/CrCu或TiW 結(jié)構(gòu),潤(rùn)濕層采用Cu、Ni或Ag,氧化保護(hù)層采用Au;TSM金屬化層一般選擇Ti/Au。

在以上這種焊點(diǎn)相關(guān)界面（如 Under Bump Metallurgy (UBM) 和 Top Surface Metallurgy (TSM) 與焊料球界面等）出現(xiàn)性能下降的情況，主要表現(xiàn)為鍵合界面接觸電阻增大、鍵合強(qiáng)度下降以及在溫度循環(huán)條件下鍵合界面易發(fā)生開(kāi)裂等問(wèn)題 時(shí)，即芯片倒裝（FC）的焊界面退化，也是本章節(jié)要跟大家分享的主要內(nèi)容。

一、倒裝芯片（FC）焊界面退化的機(jī)理

因?yàn)樾酒寡b焊點(diǎn)在穩(wěn)態(tài)溫度條件下的失效，主要表現(xiàn)為Under Bump Metallurgy (UBM) 和Top Surface Metallurgy (TSM) 與焊料球界面處因金屬間化合物持續(xù)生長(zhǎng)，所導(dǎo)致的鍵合界面接觸電阻增大及鍵合強(qiáng)度下降。此外，在溫度循環(huán)條件下，該鍵合界面也易發(fā)生開(kāi)裂。此類失效機(jī)理與UBM/TSM的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、幾何尺寸、焊料成分、基板材料以及工作環(huán)境溫度密切相關(guān)。

1、金屬間化合物生長(zhǎng)

金屬間化合物的形成主要集中于UBM/TSM界面以及焊料體內(nèi)部。其形成機(jī)理源于再流焊工藝過(guò)程中界面處金屬原子的相互擴(kuò)散。具體而言，在進(jìn)行倒裝焊時(shí)，芯片和基板上的大量金屬原子會(huì)溶解到液態(tài)焊料中。這些原子首先在UBM/TSM界面處形成初始的金屬間化合物層，其形成速率和厚度取決于基體金屬在液態(tài)焊料中的溶解度。當(dāng)焊料冷卻固化時(shí)，焊料中過(guò)飽和的基體金屬會(huì)析出，在焊料內(nèi)部形成分散的金屬間化合物顆粒。因此，在再流焊過(guò)程中，若工藝控制不當(dāng)，導(dǎo)致焊料與芯片、焊料與基板之間的金屬間擴(kuò)散過(guò)度，就會(huì)在UBM/TSM界面形成過(guò)厚的脆性金屬間化合物層，從而造成焊點(diǎn)性能退化，并為后續(xù)使用中界面處的開(kāi)裂埋下隱患。

2、溫度循環(huán)影響

焊接溫度對(duì)倒裝焊料凸點(diǎn)的失效部位具有顯著影響。研究表明：對(duì)于PbSn倒裝鍵合凸點(diǎn)，當(dāng)焊接溫度T=340℃時(shí)，凸點(diǎn)裂紋傾向于出現(xiàn)在芯片側(cè)的UBM/焊料界面附近（見(jiàn)下圖左）；而當(dāng)焊接溫度升高至T=365℃時(shí)，裂紋則轉(zhuǎn)而出現(xiàn)在基板側(cè)的TSM/焊料界面附近（見(jiàn)下圖右）。這種失效部位的轉(zhuǎn)移，歸因于在更高溫度下，芯片側(cè)TSM界面的AuSn金屬間化合物會(huì)加速生長(zhǎng)，導(dǎo)致該區(qū)域成為新的薄弱環(huán)節(jié)。

在影響芯片倒裝焊凸點(diǎn)可靠性的諸多因素中，Au元素的作用尤為關(guān)鍵。當(dāng)Au元素進(jìn)入PbSn焊料后，會(huì)迅速與Sn反應(yīng)形成Au/Sn金屬間化合物（如AuSn?），導(dǎo)致焊料脆化，進(jìn)而引發(fā)兩類主要問(wèn)題：

（1）脆性金屬間化合物厚度的增加，以及界面處Sn元素被大量消耗，共同導(dǎo)致焊點(diǎn)的機(jī)械性能顯著下降。

（2）在脆性金屬間化合物層附近，由于Sn的消耗會(huì)形成富Pb的軟質(zhì)區(qū)，該區(qū)域在熱循環(huán)應(yīng)力作用下，極易成為裂紋萌生和擴(kuò)展的路徑。

二、倒裝芯片（FC）焊界面退化的影響因素

出現(xiàn)以上焊界面退化的主要影響因素有以下三點(diǎn)：

1、材料相關(guān)因素

a. UBM/TSM材料

Under Bump Metallurgy (UBM) 和 Top Surface Metallurgy (TSM) 的材料選擇對(duì)焊界面退化影響顯著。不同的UBM/TSM材料在再流焊過(guò)程中，與焊料之間的金屬間化合物形成情況和性能不同，其材料特性決定了金屬間化合物的生長(zhǎng)速率、種類和分布，進(jìn)而影響鍵合界面的接觸電阻和強(qiáng)度。例如，某些UBM/TSM材料可能更容易與焊料形成脆性金屬間化合物層，導(dǎo)致焊點(diǎn)性能退化。

b. 焊料成分

焊料的成分決定了金屬間化合物的種類和形成過(guò)程。不同成分的焊料在再流焊過(guò)程中，基體金屬在液態(tài)焊料中的溶解度不同，原子擴(kuò)散和反應(yīng)情況也不同，從而影響金屬間化合物層的厚度和性能。合適的焊料成分可以控制金屬間化合物的生長(zhǎng)，減少焊界面退化的風(fēng)險(xiǎn)。

c. 基板材料

基板材料的熱膨脹系數(shù)等特性與芯片不匹配時(shí)，會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力產(chǎn)生。在工作環(huán)境溫度變化時(shí)，熱膨脹系數(shù)的差異會(huì)加大芯片與基板之間的熱應(yīng)力失配，加速焊界面退化。同時(shí)，基板材料的某些特性也可能影響金屬間化合物的形成和分布。

2、結(jié)構(gòu)與工藝因素

a. UBM/TSM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與幾何尺寸

UBM/TSM的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、幾何尺寸會(huì)影響金屬間化合物的形成和分布。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和幾何尺寸可以控制金屬間化合物的析出位置和生長(zhǎng)方向，避免在UBM/TSM界面形成過(guò)厚的脆性金屬間化合物層。例如，特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使金屬原子在擴(kuò)散過(guò)程中更均勻地分布，減少局部金屬間化合物的過(guò)度生長(zhǎng)。

b. 焊接溫度與工藝控制

焊接溫度對(duì)倒裝焊料凸點(diǎn)的失效部位具有顯著影響。在再流焊過(guò)程中，若工藝控制不當(dāng)，如焊接溫度過(guò)高或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致焊料與芯片、焊料與基板之間的金屬間擴(kuò)散過(guò)度，從而在UBM/TSM界面形成過(guò)厚的脆性金屬間化合物層，造成焊點(diǎn)性能退化，并為后續(xù)使用中界面處的開(kāi)裂埋下隱患。此外，焊接溫度的均勻性也會(huì)影響焊界面的質(zhì)量。

3、工作環(huán)境因素

工作環(huán)境溫度的變化，特別是溫度循環(huán)，會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。溫度循環(huán)產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)诼闫吔翘幾顬閲?yán)重，會(huì)加大基板和硅片之間熱膨脹系數(shù)嚴(yán)重失配造成的影響，使得鍵合界面易發(fā)生開(kāi)裂。同時(shí)，溫度循環(huán)也會(huì)加速金屬間化合物的生長(zhǎng)，進(jìn)一步導(dǎo)致焊界面退化。

另外，因界面退化會(huì)導(dǎo)致芯片與基板之間的電氣連接可靠性下降，可能引發(fā)系統(tǒng)故障。因此，需通過(guò)改進(jìn)材料配方、優(yōu)化工藝參數(shù)等措施，降低退化風(fēng)險(xiǎn)。

三、倒裝芯片（FC）焊界面退化的解決措施

倒裝芯片焊界面退化的解決措施可歸納為以下四方面，結(jié)合工藝優(yōu)化、材料改進(jìn)和設(shè)備調(diào)整實(shí)現(xiàn)：

1、激光加熱技術(shù)

激光 + 測(cè)溫同軸精準(zhǔn)控溫的倒裝芯片焊接技術(shù)，能嚴(yán)格控制溫度曲線、保證凸點(diǎn)潤(rùn)濕均勻性，同時(shí)規(guī)避熱膨脹系數(shù)失配導(dǎo)致的應(yīng)力損傷、金屬間化合物（IMC）異常生長(zhǎng)及細(xì)間距凸點(diǎn)橋接等問(wèn)題，有助于減少焊界面退化的可能性。邁射科技半導(dǎo)體激光加熱技術(shù)采用激光、測(cè)溫同軸設(shè)計(jì)，溫度探測(cè)響應(yīng)時(shí)間僅 1ms，能實(shí)時(shí)捕捉加工區(qū)域的溫度變化，避免溫度滯后導(dǎo)致的控溫偏差。

2、清洗工藝

倒裝芯片通過(guò)回流焊焊接在基板上后，因需用填充料對(duì)裸片進(jìn)行填充，所以需要對(duì)芯片和基材之間狹小空間里的助焊劑殘留物進(jìn)行清洗，以防止填充時(shí)出現(xiàn)分層、空洞和條紋等界面缺陷，為底部填充提供適當(dāng)?shù)臐?rùn)濕度，防止空洞產(chǎn)生，一定程度上保障焊界面的穩(wěn)定性。

3、材料與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

可通過(guò)選擇高純度填充料和焊料，提升界面潤(rùn)濕性和機(jī)械強(qiáng)度，從而在倒裝芯片設(shè)計(jì)中采用更緊湊的凸點(diǎn)布局，降低焊點(diǎn)應(yīng)力集中。

4、設(shè)備與工藝協(xié)同

引入智能溫控系統(tǒng)，精確控制回流焊溫度曲線，減少熱沖擊對(duì)焊界的影響。同時(shí)還需要結(jié)合自動(dòng)化設(shè)備提升封裝對(duì)位精度，降低因人為誤差導(dǎo)致的虛焊風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)上述措施，可系統(tǒng)提升倒裝芯片焊界質(zhì)量，減少退化風(fēng)險(xiǎn)。

四、總結(jié)一下

倒裝芯片（FC）焊界面退化的核心是金屬間化合物（IMC）過(guò)度生長(zhǎng)、熱機(jī)械疲勞、電遷移、界面空洞 / 分層四大機(jī)制疊加，最終導(dǎo)致接觸電阻上升、機(jī)械強(qiáng)度驟降、焊點(diǎn)開(kāi)裂 / 脫落。可通過(guò)UBM 選材、焊料優(yōu)化、回流 / 底部填充工藝控制、結(jié)構(gòu)應(yīng)力優(yōu)化可顯著提升可靠性，可為倒裝芯片（FC）工藝技術(shù)能力的提升貢獻(xiàn)出不小的力量。

審核編輯 黃宇