TSV立体集成用Cu/Sn键合工艺

为实现硅通孔(TSV)立体集成多层芯片可靠堆叠,对一种具备低温键合且不可逆特点的Cu/Sn等温凝固键合技术进行了研究。基于Cu/Sn系二元合金平衡相图,分析了金属层间低温扩散反应机理,设计了微凸点键合结构并开展了键合工艺实验。通过优化键合工艺参数,获取了性能稳定的金属间化合物(IMC)层,且剪切力键合强度值达到了国家标准,具备良好的热、机械特性。将其应用到多芯片逐层键合工艺实验当中,成功获取了4层堆叠样品,验证了Cu/Sn等温凝固键合技术在TSV立体集成中的应用潜力。     

含TSV结构的3D封装多层堆叠Cu/Sn键合技术

研究了利用Cu/Sn对含硅通孔(TSV)结构的多层芯片堆叠键合技术。采用刻蚀和电镀等工艺,制备出含TSV结构的待键合芯片,采用扫描电子显微镜(SEM)对TSV形貌和填充效果进行了分析。研究了Cu/Sn低温键合机理,对其工艺进行了优化,得到键合温度280℃、键合时间30 s、退火温度260℃和退火时间10 min的最佳工艺条件。最后重点分析了多层堆叠Cu/Sn键合技术,采用能谱仪(EDS)分析确定键合层中Cu和Sn的原子数比例。研究了Cu层和Sn层厚度对堆叠键合过程的影响,获得了10层芯片堆叠键合样品。采用拉力测试仪和四探针法分别测试了键合样品的力学和电学性能,同时进行了高温测试和高温高湿测试,结果表明键合质量满足含TSV结构的三维封装要求。     

Cu/Sn等温凝固技术在MEMS气密封装中的应用

研究了Cu/Sn等温凝固键合技术在MEMS气密性封装中的应用。设计了等温凝固键合多层材料的结构和密封环图形,优化了键合工艺,对影响气密性的因素(如密封环尺寸等)进行了分析。在350°C实现了良好的键合效果,其最大剪切强度达到27.7MPa,漏率~2×10-4Pa·cm3/sHe,完全可以满足美国军方标准(MIL-STD-883E)的要求,验证了Cu/Sn等温凝固键合技术在MEMS气密封装中的适用性。     

应用于3D集成的高密度Cu/Sn微凸点键合技术

3D-IC技术被看作是应对未来半导体产业不断增长的晶体管密度最有希望的解决方案,而微凸点键合技术是实现3D集成的关键技术之一.采用电镀工艺制作了直径为50μm、间距为130μm的高密度Cu/Sn微凸点,分析了不同预镀时间及电流密度对Cu微凸点形成质量的影响,并使用倒装焊机实现了高密度Cu/Sn微凸点的键合.利用直射式X射线、分层式X射线对键合样片进行无损检测,结果表明键合对准精度高,少量微凸点边缘有锡被挤出,这是由于锡层过厚导致.观察键合面形貌,可以发现Cu和Sn结合得不够紧密.进一步对键合面金属间化合物进行能谱分析,证实存在Cu6 Sn5和Cu3 Sn两种物质,说明Cu6 Sn5没有与Cu充分反应生成稳态产物Cu3 Sn,可以通过增加键合时间、减少Sn层厚度或增加退火工艺来促进Cu3 Sn的生成.     

用于3D集成的精细节距Cu/Sn微凸点倒装芯片互连工艺研究

芯片异构集成的节距不断缩小至10 μm及以下,焊料外扩、桥联成为焊料微凸点互连工艺的主要技术问题.通过对微凸点节距为8 μm的Cu/Sn固液扩散键合的工艺研究,探索精细节距焊料微凸点互连工艺存在的问题,分析Cu/Sn微凸点键合界面金属间的化合物,实现了精细节距和高质量的Cu/Sn微凸点互连,获得了节距为8 μm、微凸点...     

Au/Sn共晶键合技术在MEMS封装中的应用

研究了Au/Sn共晶圆片键合技术在MEMS气密性封装中的应用。设计了共晶键合多层材料的结构和密封环图形,盖帽层采用Ti/Ni/Au/Sn/Au结构,器件层采用Ti/Ni/Au结构,盖帽层腔体尺寸为4.5 mm×4.5 mm×20μm,Au/Sn环的宽度为700μm,优化了键合工艺,对影响气密性的因素(如组分配比、键合前处理和键合温度等)进行了分析。两层硅片在氮气气氛中靠静态的压力实现紧密接触。在峰值温度为300℃、持续时间为2 min的条件下实现了良好的键合效果,其剪切力平均值达到16.663 kg,漏率小于2×10-3 Pa·cm3/s,满足检验标准(GJB548A)的要求,验证了Au/Sn共晶键合技术在MEMS气密封装中的适用性。     

SiC基IGBT高铅焊料芯片固晶层的热冲击失效机理

目前大功率SiC IGBT器件常用高熔点的高铅焊料作为固晶材料，为保证功率器件的长期使用，需研究温度冲击条件下高铅焊点的疲劳可靠性，并探究其失效机理。采用Pb92.5Sn5Ag2.5作为SiC芯片和基板的固晶材料，探究温度冲击对固晶结构中互连层疲劳失效的影响。结果表明，温度冲击会促进焊料与SiC芯片背面的Ti/Ni Ag镀层反应生成的块状Ag₃Sn从芯片/焊料层界面往焊料基体内部扩散，而焊料与Cu界面反应生成的扇贝状Cu₃Sn后形成的富Pb层阻止了Cu和Sn的扩散反应，Cu₃Sn没有继续生长。750次温度冲击后，焊料中的Ag与Sn发生反应生成Ag₃Sn网络导致焊点偏析，性质由韧变脆，焊点剪切强度从29.45 MPa降低到22.51 MPa。温度冲击模拟结果表明，芯片/焊料界面边角处集中的塑性应变能和不规则块状Ag₃Sn导致此处易开裂。     

Cu—Cu键合工艺及其在高功率声光器件中的应用

介绍了一种低温Cu—Cu扩散键合工艺技术,利用电子束蒸发Cr/Cu薄膜作为键合层制作了声光调制器。实验表明,Cr/Cu/Cu/Cr键合层厚为755.5 nm、键合温度120℃、键合压强30 MPa时,器件键合强度可达2.7 MPa。采用该工艺制作的调制器能够承受的最大电功率为8 W/mm~2,且峰值衍射效率达到70%,为研制高功率声光器件奠定了工艺基础。     

面向射频微系统应用的圆片-芯片集成工艺技术研究

利用Au-Sn共晶合金反应实现硅基圆片-芯片(Die to Wafer)键合是一种可行的集成方案,通过优化关键实验条件改善圆片-芯片键合层质量及键合强度,探索出适合射频微系统应用的D2W集成工艺条件;使用扫描电子显微镜(SEM)观察各组圆片-芯片界面质量状态,分析其键合层元素组成;在常温及300℃高温下完成水平推力测试,分析了键合样片键合强度和耐高温水平。结果表明:键合压力、Sn浸润时间、Au-Sn共晶合金温度及时间、芯片键合前处理等条件对键合层质量影响较大;对芯片进行前处理,使用少量助焊剂,240℃浸润2 min,并在温度为290℃、压力为4 N的条件下键合6 min,可以得到具备良好键合层质量的键合样片,水平推力达到55 N。     

共晶Sn3.8Ag0.7Cu焊料在Fe-Ni镀层上的反应润湿行为

用电镀工艺制备了Fe-Ni镀层,研究了还原气氛保护下共晶Sn3.8Ag0.7Cu焊料在Fe-Ni镀层上的反应润湿行为。结果表明:在共晶Sn3.8Ag0.7Cu与Fe-74Ni反应润湿体系观察到了伪部分润湿行为。在铺展球冠的前沿,可以明显地看到有液态膜伸出主液体铺展前沿。随着回流时间的增加,液态膜逐渐长大。共晶Sn3.8Ag0.7Cu焊料与Fe-74Ni电镀合金层的液固界面生成了一层FeSn2化合物,还有大量Cu/Ni/Sn化合物进入焊料内部。     

Sn—Ag—Cu无铅焊料性能研究

环保和微电子器件高度集成化的发展驱动了高性能无铅焊料的研究和开发,Sn—Ag－Cu系无铅焊料由于具有良好的焊接性能和使用性能,已逐渐成为一种通用电子无铅焊料。文章通过实验的方法,研究了8种不同配比的Sn—Ag—Cu焊料中银、铜含量对合金性能（包括熔点、润湿性和剪切强度）的影响,并对焊料的显微组织进行对比与分析,得出低银焊料的可靠性比高银焊料好,同时Sn－2．9Ag—1．2Cu的合金具有较低的熔点且铺展性好,为确定综合性能最佳的该系焊料合金提供了依据。     

感应自加热重熔无铅焊料凸台的剪切失效模式

通过两次高频感应重熔制备了Cu焊盘上S n3．5Ag焊料和Sn3．0Ag0．5Cu焊料凸台,并进行了120℃下的老化试验以及老化试件的剪切强度试验,分析了不同老化时间下两种无铅焊料凸台的剪切断裂模式。焊料凸台的剪切载荷-位移曲线的特征以及对焊料凸台剪切断口的扫描电镜形貌分析结果表明,不同老化时间下无铅焊料凸台的剪切断裂表现为塑性、韧性和脆性三种断裂模式。对凸台焊料合金的组织以及界面观察结果表明,随老化时间不断生长的脆性金属间化合物层以及焊料组织粗大是致使断裂失效模式转变的根本原因。     

MEMS圆片级封装用Cu-Sn低温键合机理与工艺研究

研究了利用低温等温凝固技术实现Cu-Sn键合在MEMS圆片级封装中的应用.基于Cu-Sn二元平衡相图,对键合层结构进行了设计,同时设计了用于测试的键合图形,并对设计的键合结构进行了流片实验.通过对圆片制作及键合等工艺的一系列优化,在250℃的低温条件下生成了熔点为415℃的金属间化合物,获得了良好的键合层.得到的键合样品剪切力强度值达到了GJB548B-2005标准的要求.研究表明,Cu-Sn等温凝固键合技术具有实际应用的潜力.     

典型Sn基焊料凸点互连结构电迁移异同性

研究了Sn37Pb,Sn3.0Ag0.5Cu和Sn0.7Cu三种焊料BGA焊点在电迁移作用下界面的微观组织结构.在60℃,1×103 A/cm2电流密度条件下通电187h后,Sn37 Pb焊点阴极界面已经出现了空洞,同时在阳极有Pb的富集带;Sn3.0Ag0.5Cu焊点的阴极界面Cu基体大量溶解,阳极金属间化合物层明显比阴极厚;对于Sn0.7Cu焊料,仅发现阳极金属间化合物层厚度比阴极厚,阴极Cu基体的溶解不如SnAgCu明显,电迁移破坏明显滞后.     

典型Sn基焊料凸点互连结构电迁移异同性

研究了Sn37Pb,Sn3.0Ag0.5Cu和Sn0.7Cu三种焊料BGA焊点在电迁移作用下界面的微观组织结构.在60℃,1×103 A/cm2电流密度条件下通电187h后,Sn37 Pb焊点阴极界面已经出现了空洞,同时在阳极有Pb的富集带;Sn3.0Ag0.5Cu焊点的阴极界面Cu基体大量溶解,阳极金属间化合物层明显比阴极厚;对于Sn0.7Cu焊料,仅发现阳极金属间化合物层厚度比阴极厚,阴极Cu基体的溶解不如SnAgCu明显,电迁移破坏明显滞后.     

Sn3.8Ag0.7Cu焊料与Fe-Ni镀层的液固界面反应

在流动的还原性气氛中,研究了共晶Sn3.8Ag0.7Cu焊料与不同Fe含量的Fe-Ni合金层的液固界面反应行为。结果表明:低Fe含量的Fe-83Ni镀层与共晶Sn3.8Ag0.7Cu焊料具有较快的液固界面反应速率,高Fe含量的Fe-53Ni镀层与共晶Sn3.8Ag0.7Cu焊料具有较慢的液固界面反应速率,在界面处可以观察到致密的FeSn2白色化合物层。而Fe-74Ni镀层与共晶Sn3.8Ag0.7Cu焊料的液固界面反应速率介于二者之间。当共晶Sn3.8Ag0.7Cu焊料与Fe-Ni镀层反应时,界面处生成的致密的FeSn2白色化合物,可以有效地阻止Fe-Ni镀层的快速消耗。     

FeNi合金UBM圆片级封装焊点剪切力研究

FeNi合金与无铅焊料反应速率低,生成的金属间化合物(IMC)较薄,有望作为圆片级封装(WLP)凸点下金属(UBM)层材料.对两种FeNi UBM以及一种Cu UBM圆片级封装样品进行回流、湿热以及预处理实验,并通过推球的方法,对其焊点进行剪切测试.通过断面与截面分析,研究其在不同处理条件下的金属间化合物生长情况,分析其断裂模式.结果表明,FeNi UBM焊点剪切力高于Cu UBM.Fe47Ni UBM与焊料反应生成的金属间化合物较薄,对于剪切力影响较小,而Fe64Ni UBM与焊料反应生成离散的CuNiSn金属间化合物,对于其焊点强度有提高作用,Cu UBM与焊料反应生成较厚的金属间化合物,会明显降低焊点的剪切力.断面分析表明,Cu UBM会随焊球发生断裂,其强度明显小于FeNi UBM.     

添加Sb和LaB6对Sn3.0Ag0.5Cu/Cu界面IMC生长的影响

研究了Sb和稀土化合物的添加对Sn3.0Ag0.5Cu无铅焊料焊接界面金属间化合物层生长的影响。研究结果表明,固态反应阶段界面化合物层的生长快慢排序如下:v(SAC0.4Sb0.1LaB6/Cu)v(SAC0.4Sb/Cu)v(SAC0.1LaB6/Cu)v(SAC/Cu)。计算各种界面IMC生长的激活能Q结果表明,Sn3.0Ag0.5Cu/Cu界面IMC生长的激活能最高,为92.789 kJ,其他焊料合金Sn3.0Ag0.5Cu0.4Sb0.1LaB6/Cu,Sn3.0Ag0.5Cu0.1LaB6/Cu和Sn3.0Ag0.5Cu0.4Sb/Cu界面IMC生长的激活能分别为85.14,84.91和75.57 kJ。在老化温度范围内(≤190℃),Sn3.0Ag0.5Cu0.4Sb0.1LaB6/Cu的扩散系数(D)最小,因而其界面化合物的生长速率最慢。     

利用金属过渡层低温键合硅晶片

在Si/Si之间采用Ti/Au金属过渡层,实现了Si/Si低温键合,键合温度可低至414 ℃.采用拉伸强度测试对Si/Si键合结构的界面特性进行测试,结果表明,键合强度高于1.27MPa;I-V测试表明,Si/Ti/Au/Ti/Si键合界面基本为欧姆接触;X射线光电子能谱(XPS)测试结果进一步表明,界面主要为Si-Au共晶合金.不同温度的变温退火实验表明,键合温度越高,键合强度越大,且渐变退火有利于提高键合强度.     

利用金属过渡层低温键合硅晶片

在Si/Si之间采用Ti/Au金属过渡层,实现了Si/Si低温键合,键合温度可低至414 ℃.采用拉伸强度测试对Si/Si键合结构的界面特性进行测试,结果表明,键合强度高于1.27MPa;I-V测试表明,Si/Ti/Au/Ti/Si键合界面基本为欧姆接触;X射线光电子能谱(XPS)测试结果进一步表明,界面主要为Si-Au共晶合金.不同温度的变温退火实验表明,键合温度越高,键合强度越大,且渐变退火有利于提高键合强度.