（材料物理与化学专业论文）lcd中细节距cof互连工艺机理及可靠性研究.pdf

复旦大学工学硕上学位论文 摘要 随着液晶显示( l c d ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 画质的逐步提高，液晶显示系统 驱动芯片的l ，o 端口数量大幅度增加，同时芯片的尺寸逐步渐小，导致芯片凸点 的间距迸一步缩小。目前常用的t c p ( t a p e c a r r i e r - p a c k a g e ) 和玻璃上芯片技术 ( c h i po ng l a s s , c o g l 已经越来越难满足液晶显示系统中互连的要求。柔性板上 芯片( c h i po nf o i l ，c o f ) ，可以利用各种新型的互连方法较为有效的进行细节距 的互连，如非导电膜( n c f , n o n c o n d u c t i v ef i l m ) 和热e , ( t h e r m o - c o m p r e s s i o n ) 技 术，根据键合方式和柔性基板上铜引线镀层材料的不同，c o f 可分为a u s n 非 导电膜，a u - a u 非导电膜和a u a u 热压工艺。 a u ，s n 非导电膜是一种常用c o f 互连技术，在键合过程中，锡在高温下熔 化并快速向表面有a u 镀层的引线扩散最终形成稳定的共晶焊点。其间，金属间 化合物生长规律和组成成分，极大地影响钎焊接头的强度、抗蠕变性、抗腐蚀性 和可焊性。本论文研究了a u s n 焊点在钎焊过程中生成的金属问化合物的组成成 分和形貌特征以及生成和成长机制，并且通过金属间化合物相的厚度与时间关系 的经验公式研究了a u s n 化合物在2 4 5 一2 8 5 之间的生长规律。总结了a u s n 化合物在2 4 5 - 2 8 5 之间的生长公式，对其控制有着重要的意义。 目前对a u a u 热压工艺过程的认识还不够深入，尤其是对接面层结合机理 及其演化的物理机制认识不够，因此至今该工艺的实施还只能够完全依赖于经验 和实验，缺乏理论的指导。本文引入了金属扩散焊接的原子反应数学模型。同时 利用a b a q u s 非线性有限元模拟软件分析了不同键合压力下3 吮m 节距的 a u - a u 热压工艺过程中凸点及引线表面压力的分布。通过比较键合界面的原子反 应率和键合界面的摩擦力，指出对于细节距的a u a u 热压工艺，结合力主要来 自于键合界面的摩擦力。 比较了a c f ，a u - a u 非导电膜和a u - a u 热压工艺等三种常用c o f 互连工艺 的可靠性，同时尝试了s n 镀层在凸点表面的a u s n 非导电膜工艺。通过对其接 触电阻、绝缘电阻的可靠性测试，发现a c f 工艺对湿热最为敏感，而a u s n 非 导电膜工艺存在较为严重的失效问题，对失效样品的失效分析表明，s n 镀层的 质量和厚度是影响其可靠性的主要因素。剥离力和界面胶材固化率的测试结果显 示，界面胶材的粘合力主要受其固化程度的影响，f t - i r 法对表征环氧树脂的固 化率有较高的灵敏度。 关键字：c o f 互连，a u s n 金属间化合物，热压工艺，有限元，可靠性 复旦大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei n c r e a s i n gd e m a n d sf o re x c e l l e n tr e s o l u t i o na n dh i g h q u a l i t yd i s p l a yi nt h e l c d ( 1 i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) i n d u s t r y d r i v et h e i m p r o v e m e n to ft h el e d i n t c r c o n n e c t i o n st e c h n o l o g y , s u c ha sh i g hn u m b e ri n p u t o u t p u t s ( i o ) s m a l l e rd r i v e r c h i pa n df i n e rb u m pp i t c h a s t h ew i d e s p r e a du s e di n t c r c o n n e c t i o nm e t h o d , t c p ( t a p e c a r d e r - p a c k a g e ) a n dc o g ( c h i po ng l a s s ) a r ev e r yd i f f i c u l tt om e e tt h e r e q u i r e m e n to fr e c e n tc l dp a n e l s c o f ( c h i po nf o i l ) t e c h n o l o g yi n c l u d es e v e r a l n e wf i n e - p i t c hi n t e r c o n n e c t i o nm e t h o d s , s u c ha sn c f ( n o n - c o n d u c t i v ef i l m ) a n d t h e r m o - c o m p r e s s i o n a c c o r d i n gt o d i f f e r e n ti n t e r c o n n e c t i o nt e c h n i q u e sa n df o i l p l a t i n gm a t e r i a l s ，t h e yw a ss e p a l a t e dt oa u s nn c f , a u - a un c f , a u s ne u t e c t i ca n d a n - a ut h e r m o - c o m p r e s s i o n a u s nn c fi so n eo ft h ep o p u l a rc o fi n t e r c o n n e c t i o nt e c h n i q u e s d u r i n g b o n d i n gp r o c e s s ，s nw i l lm e l ta n dd i f f u s ei n t ot h es u r f a c eo fp l a t i n ga ui nh i g h t e m p e r a t u r e i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d ( i m c ) w i l lf o r ma tt h es n a ui n t e r f a c ea n dt h u s t h ec o n n e c t i o ni sm a d e h o w e v e rt h ee x i s t e n c ea n dg r o w t hf e a t u r eo fi m cw i l la f f e c t t h er e l i a b i l i t yo ft h es o l d e rj o i n ts i g n i f i c a n t l y t h e r e f o r et h em o r p h o l o g y , c o m p o s i t i o n ， f o r ma n dg r o w t hm e c h a n i s mo ft h ea u s ni m ca r cs t u d i e d , m a t h e m a t i cm o d e lw a s b u i l tt os i m u l a t et h ei m ct i f f c k n e s si n c r e a s e ds p e e dw h e nt h et e m p e r a t u r ei sd u r i n g 2 4 5 一2 8 5 t h i sm o d e lw i l lg i v ep o s i t i v ec o n t r i b u t i o nt oc o n t r o lt h et h i c k n e s so f i m c s of a r , t h e a p p l i c a t i o no fa u - a ut h e r m o - c o m p r e s s i o nt o t a l l yd e p e n d s o n e x p e r i e n c ea n de x p e r i m e n t ，b e c a u s eo f t h ep o o ru n d e r s t a n d i n go fp h y s i c a lc o n n e c t e d m e c h a n i s mo fa u - a ut h e r m o - c o m p r e s s i o np r o c e s s i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，t h e a t o m i cr e a c t i o nm o d e lf o rd i f f u s i o nb o n d i n go fm e t a l si si n t r o d u c e d ，a tt h es a m et i m e ， a b a q u sf e as o f t w a r ei su s e dt os i m u l a t et h ee f f e c to fb o n d i n gf o r c eo i lt h e p r e s s u r ed i s t r i b u t i o no f3 0 r m - p i t c hb u m p sa n dl e a d s c o m p a r i n gt h ea t o m i cr e a c t i o n r a t i oa n di n t e r f a c ef r i c t i o nc o n c l u d e dt h a ti n t e r f a c ef l i c t i o nm a d et h em a j o r c o n t r i b u t i o nt ot h ei n t e r f a c es t r e n g t h i no r d e rt oc o m p a r et h er e l i a b i l i t yo fd i f f e r e n tc o f p r o c e s s e s ，s a m p l e sw e r e p r e p a r e dw i t hf o u rp r o c e s s e s ，w h i c ha r ea c f , a u s nn c f , a u a un c fa n da u - a u t h e r m o - c o m p r e s s i o n t h ei n n o v a t i o np o i n to fa u a un c f i st h a tt h es nl a y e ri s r e m o v e df r o mt h el e a ds u r f a c et ot h eb u m ps u r f a c e c o m b i n e dw i t ha c c e l e r a t e dt e s t ， c r ( c o n t a c t e dr e s i s t a n c e ) a n di r ( 1 a s u l a t i o nr e s i s t a n c e ) r e s u l tr e v e a l e dt h a ta c f p r o c e s si ss e n s i t i v et oh u m i d i t ya n dh e a t o n l ya u - s nn c f h a df a i l e ds a m p l e a l lt h e 复旦大学工学硕上学位论文 f a i l u r es a m p l e sw e r ea n a l y z e df o rr o o t - c a u s e s t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h eq u a l i t y a n dt 1 i c k n e s so fs nl a y e ra f f e c tt h ef a i l u r er a t e 目 e a t l y f f - i rw a su t i l i z e dt om e a s u r e t h er e a c t i o nr a t eo ft h ee p o x yi nt h eb o n d i n gi n t e r f a c e t h em e a s u r e m e n tr e s u r i n d i c a t e df t - i rh a dh i g hs e n s i t i v i t yo fe p o x yr e a c t i o nr a t e ，a n dt h ep e e ls t r e n g t h i n c r e a s e df o l l o w i n gt h ei n c r e a s i n go fe p o x yr e a c t i o nr a t e k e yw o r d s ：c o fi n t e r c o n n e c t i o n , a u s ni m ct h e r m o - c o m p r e s s i o n , f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，r e l i a b i f i t y 一 论文独创性声明 本论文是我个人存导帅指导下进行的研究r 作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已存论文中作r 明确的声明 并表示了谢意。 作者签名 论文使用授权声明 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩日j 或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名：趔导师签名：蠢璺日期：臣z 二丘 复旦大学工学硕上学位论文 第1 章前言 1 1 课题背景 液晶显示( l c d ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 模块由于其有对产品的通用性好和低 功耗的优点，已经被越来越多的用于各种显示系统，如笔记本电脑、显示器、手 机、掌上电脑，以及各种便携式电子设备。 在早期的产品市场上所采用的l c d 基本上为字母、数字和固定的图像，而 如今和未来对可移动产品中的u m ，不仅提出了需要拥有可程序化的v g a 图像 的要求，同时还提出了高分辨率、薄形化、减轻重量和低功耗的显示要求。这就 迫使l c d 模块中的互连技术也必须进行相应的调整和改进。 柔性板上芯片( c h i po nf o i l , c o d 技术是一种继t c p ( t a p e c a r r i e r - p a c k a g e ) 和玻璃上芯片技术( c h i po ng l a s s , c o 回之后，应用于i _ c d 模块的新型互连技术。 是一种将驱动芯片与印制有铜线路的柔性电路板直接互连的技术。由于高分辨 率、薄形化、减轻重量和低功耗的显示需求，以及成本的考虑，液晶显示系统驱 动芯片的i o 端口数量大幅度增加，同时芯片的尺寸逐步减小，导致芯片凸点的 间距迸一步缩小。目前的c o g 工艺使用的是氧化铟锡( i n d i u mt i no x i d e ，1 t o ) 玻 璃，由于i t o 淀积工艺及其本身易腐蚀的特性“，极大的限制了c o g 技术的最 小间距。而且c o g 技术对驱动芯片的凸点高度的一致性要求很高”。1 。相比之下， 使用铜导线的c o f 在这方面就表现出了优势。此外，c o f 互连技术还可以节约 l e d 模块的显示区域，扩大显示屏幕的面积。因此，己被认为是l c d 模块的未 来发展趋势，具有较高的研究价值。 1 2l c d 模块中的互连方法简介 图1 中显示了l c d 模块的三种互连形式。其中t c p 技术是最早用于电子产 品的封装技术，其开始于1 9 6 8 年g e 公司的小模组( m i n i m o d ) j j 式，上世纪7 0 年代被多家( c m z e n 和s h a r p ) 所推广，成为电子产品封装技术的一大主流。 发展至今已有快四十的历史了。 t c p 技术按照在封装过程中所用软带是否弯曲又可以分为平面型和弯曲型 两种。平面型的优点是可以有效的减薄l e d 模块的厚度，但不利于降低外形尺 寸；弯曲型则恰恰相反。平面型主要用于s t n l c d ，而弯曲形多用于t f t - l c d 。 t c p 的封装工艺非常简单，适合大规模自动化生产。首先，键合用的金属引线 ( t r a c k ) 通过粘着剂( a d h e s i v e ) 连接柔性电路板的基底，这部分工作在柔性电路板 制造时已完成，然后将驱动芯片键合到金属引线上。在w a f e r 加工阶段，己在驱 动芯片需要引出线的地方镀上了金凸点，而t r a c k 的表面涂有一层锡，所以利用 复旦大学工学硕上学位论文 a u t m 共晶可以将驱动芯片轻松绑定到t r a c k 上接下来就是用钝化层把绑定部 分封起来，如果对体积没有特别的限定，可以将t r a c k 和驱动芯片整个封起来， 使内部电路少受外部环境的影响。t c p 作为液晶驱动驱动芯片的标准半导体封装 已由半导体制造商提供，大量应用于笔记本电脑、液晶显示器或液晶电视中。但 为了t ：p 的细节距互连，要求形成更微细的悬空引线，但是从腐蚀剂不良或者 引线弯曲等的制造合格率和成本方面考虑，一般认为，t c p 技术可以实现的最小 凸点节距为6 0 z m ，而且继续减小的难度很大。而c o g 技术通过使用各项异性 导电薄膜( a c f ) 的方法很容易实现凸点节距在5 0 u r n 以下的互连结构。基于这 样的优势，c o g 技术很快成为l e d 市场的主流之一 ( c ) c o f 图1l c d 模块的三种互连形式 由于c o g 技术中驱动芯片被绑定在玻璃基片上，而且不需要柔性电路板来 实现互连，可以有效的减小l e d 模块的尺寸和重量i ”。但随着l c d 的迅猛发展， c o g 技术的局限性也显现的越发突出。除了上节所说的i t o 腐蚀和芯片凸点的 一致性问题之外，由于c o g 封装将驱动芯片直接绑定在玻璃基板上限制了显示 复旦丈学工学_ 瞬士学位论文 区域的面积，并且会用硅胶封装起来，一旦出现失效无法更换芯片。因此，不适 合应用于笔记本电脑、液晶显示器、液晶电视等需要多个驱动芯片的大型= d 。 c o f 技术相对前两者问世较晚，然而其吸收了t c p 与c o g 的很多优点， 如，c o f 既可以使用a c f 的压接结合工艺，也可以a l i ，t i n 共晶将驱动芯片轻松 绑定到柔性电路板上另一方面，由于c o f 没有必要形成悬空引线，有利于精 细节距化和降低成本铜箔与聚酰亚胺基材间无粘结剂( 为了防止在加热过程中 c u 线上浮) ，聚酰亚胺基材极薄，有利于提高弯曲性，设计自由度高。在下节 中将详细介绍c o f 工艺。 1 3c o f 工艺 1 3 1c o f 中柔性电路板结构与制造工艺 c o f 工艺中使用的柔性电路板和一般的1 1 p c 的主要区别在于，铜箔和基板 材料( 一般为聚酰亚胺) 之间没有枯合剂。无胶f p c 的价格比有胶的f p c 高得多， 但是其柔韧性、铜箔和基材的结合力、焊盘的平面度等参数也比有胶f p c 要好， 其结构和材料如图2 所示。对c o f 工艺来说，使用无胶f p c 的主要目的是为了 避免在高温绑定的时候秸接胶层融化，使得铜线移动，导致键合偏移的可能性大 大提高。 层号名称材料典型厚度( u m ) 1 阻焊层( 绿油)聚酰亚胺( p o l y i m i d e ) 1 3 ，2 6 2 导电层 铜箔4 ，1 0 ，1 5 ，1 8 3基材 聚酰亚胺( p o l y i m i d c ) 1 3 ，2 5 ，5 0 4焊盘镀层金，锡或镍金0 2 ，o 6 ，2 ，3 图2 c o f 中柔性电路板结构 柔性电路板的制作工艺类似于传统电路板，基材的材料主要有树脂系列，像 聚亚酰胺，玻璃树脂，b t 树腊，聚脂软带等。但不管什么材料，最终都被做成 电影胶带状，以便于存放及运输。当然，接下来还褥在需要的地方给成型的基材 打孔，这样基材就制作完毕。 制作金属引线时，一般都用c u 作材料，可用电解铜箔和压延铜箔，一般厚 复旦大学工学硕士学位论文 度为十几个m 。两者的区别是前者表面比较粗糙，故与粘着剂的粘性较好，能 得到较高的引脚剥离强度，但由于电解时易向厚度大的方向发展，故也容易产生 晶须，产生比较大的应力。形成的铜箔直接粘在软带树脂上，然后用化学试剂刻 蚀出需要的金属引线，最后在金属引线外表层镀上焊盘镀层，卷带的制造就完成 了。图3 是c o f 柔性电路板具体工艺流程。 图3c o f 柔性电路板工艺流程 1 3 2a c f 0 c p 工艺 各向异性导电胶( a c p ) ，是指被均匀的混合了一定浓度的导电粒子的粘合剂， 而各向异性导电薄膜( a c d ，就是把该粘合剂制作成薄膜状。根据导电粒子的不 同可把a c f 分为以下三种： ( 1 ) 纯金属离子( 一般为金) ( 2 ) 外裹树脂层的金属粒子 ( 3 ) 外镀n i a n 的树脂粒子 在硬度方面，纯金属离子最大；在导电性方面，外裹树脂层的金属粒子主要 靠外裹树脂层破裂，内部金属弹性形变而实现接合。需要的键合压力较大；纯金 属粒子，是依靠金属粒子在塑性形变的过程中嵌入凸点( b u m p ) 而实现接合的；镀 n i a u 的树脂粒子，具有一定弹性，又有一定的硬度，性能较好，应用也最为广 泛。 a c f 工作原理是，在热和压力的作用下，粘合剂被挤压得更薄，这时粘合剂 复旦大学工学硕上学位论文 中的导电粒子在上、下方向上连通，而在左右方向上仍不连通，从而实现各向异 性的导电性，其具体工艺步骤如图4 所示。 a c f 工艺是l c d 模块中最为常用的互连方式，其不仅仅被用于c o f 工艺， 更多的被采用在c o g 工艺之中，其优点有“一：( 1 ) 能够实现较小节距的倒扣芯 片互连；( 2 ) 去除了填充料的工艺；( 3 ) 7 - 艺温度较低；( 4 ) 工艺灵活简单，成本低。 然而随着l c d 系统中功能的增加，驱动芯片的凸点数随之增加，而整个芯片的 面积不变甚至会减小，故只能通过减小芯片凸点节距来实现。这就增加了a c f 工艺搭桥的几率。经实验发现，对小于1 舡m 凸点间距( b u m pg a p ) ，a c f 工艺会 产生较为严重的搭桥现象，如图5 所示。为了能从根本上解决窄凸点节距芯片带 来的a c f 的搭桥问题，热压工艺( t h e r m o c o m p r e s s i o n ) 和非导电膜( n c f ) 被开发 出来替代a c f 技术。 i 。1。1 ：a c t ：s u p p 妒：i cs l i p p 知： ： ： 一 - j 图4 a c f 工艺流程示意图 图5 a c f 导电粒子的搭桥现象 1 3 3 其它c o f 互连工艺 热压工艺 热压工艺是利用在一定温度下，芯片的金凸点和基板材料上印制线上电镀的 a u 或a u n i 层发生一定程度的共金反应或和s n 镀层发生一定程度的合金反应来 实现两者的机械连接和电连接，然后再用填充料( u n d e f f i l l ) 来保护和加强已经实 - 5 复旦大学工学硕士学位论文 现的互连“一。根据柔性基板上铜印制线的材料不同，a u s n 非导电膜的最终键 合温度为2 5 0 0 c 左右，a u a u 热压所需要的最终键合温度为3 1 矿c 左右。其工 艺过程如图6 所示。由于没有使用含有导电颗粒的薄膜，热压工艺从根本上解决 窄凸点节距芯片带来的a c f 的搭桥问题。但因为是通过共金热压工艺来实现电 连接，所以在绑定时需要在i c 芯片上施加一个较大的键合力和较高的工艺温度 ( 尤其是a a - a u 共金) 。这个较大的键合力在键合工艺的瞬间可能对凸点上面的芯 片造成不同程度的损伤，对产品的可靠性造成较大威胁。因此，对于a u - a a 热压工艺选择合适的键合力对产品的成品率和可靠性非常重要。 非导电膜( n o n - c o n d u c t i v ef i l m tn c n 工艺 在非导电膜中，所有的金属导电粒子都被除去，电连接是通过压力使得芯片 凸点和基底材料上的金属引线的a u 镀层直接接触或者与s 镀层发生合金反应 得以实现的，同时热固型的非导电膜经过一定热工艺后，可以实现直接接触状态 的机械固定，从而保证稳定的电连接。其工艺过程如图7 所示。由于非导电膜层 担任实现i c 和基底材料之间机械连接和保障电连接的双重角色，所以非导电膜 材料的热工艺温度曲线的选择尤为重要。a u - a u 菲导电膜最终键合温度为 2 2 0 - 2 4 0 。c i ，a u s 非导电膜的最终键合温度为2 5 0 。c 左右。n c f 工艺继承了 热压工艺的优点，而且省去了u n d e r f i l l 工艺，使工艺步骤方便简单，更适合于 应用在大规模生产中，有较好的应用前景。 一一， r 。二 i i cs u p p i y ： ：u n d e r f i l ls u p p i yj i ii ：一： 二j 图6 热压工艺流程示意图 复旦大学工学硕上学位论文 ：n o ：s e p p b , ：i c s u p p l y ： 图7 非导电膜工艺流程示意图 1 4 本论文的研究意义与内容 迄今为止，c o g 互连技术在l c d 中仍居统治地位。国内外学术界对c o f 技术的研究还非常有限，这无形中加剧了c o f 技术研发的紧迫性和研究难度。 本论文结合现有的c o f 技术的研究成果和发展趋势，把研究重点放在小间距 c o f 互连工艺及其机理的研究上，对现有的各种键合方式的可行性进行尝试， 最终通过实验给出可靠性评估。 本文涉及当前最为普遍的4 种c o f 工艺，它们分别是：a c f ，a u s n 非导 电膜，a u - a u 非导电膜和a u - a u 热压工艺。 首先观察了a u s n 非导电膜工艺在键合界面产生的金属间化合物，并且针对 该问题制备了在不同工艺温度和键合时间条件下的a u s n 化合物的样品，研究了 a u s n 化合物组分和微观形貌，同时通过测量了不同工艺参数下金属间化合物的 厚度，总结出a u s n 化合物在2 4 5 2 8 5 ( 2 之间的厚度随保温时间的变化曲线，在 此基础上，引入直接连接界面金属间化合物相的生成及长大模型，推算出a u s n 金属间化合物在2 4 5 2 8 5 情况下的厚度生长公式。 其次研究了细节距a u - a u 热压工艺的键合机理，利用a b a q u s 非线性有限元 分析软件限元模拟了细节距a u a u 热压工艺中键合力对键合界面上压力分布的 关系。结合有限元模拟的结果和数学模型研究了细节距a u - a u 热压工艺的原子 反应机理和界面摩擦力机理，通过可键合性实验的观测结果验证了界面摩擦力是 细节距a u - a u 热压键合界面结合强度的主要来源。 最后本文用a c f 工艺，a u - a u 非导电膜，a u - a u 热压四种以及新型的a u s n 非导电膜工艺制备了实验样品。对c o f 工艺制备的样品进行剥离力测试以评估 非导电膜和u n d e r f i l l 的粘合力，而样品的可靠性则通过a h t ( a c c e l e r a t e d h u m i d i t y t e s 0 , t s t ( t h e r m a l s h o c k t e s t ) 自l 速实验测定。用四点法和梳状电极法对 样品的接触电阻和绝缘电阻进行测量，分析了不同老化时间时测试的芯片上压焊 块接触电阻的变化。通过对a h t 和t s t 加速实验前后不符合芯片输入电阻要求 复旦大学工学硕士学位论文 的接头数进行统计研究，确定失效样品，并对失效样品进行失效分析。发现新型 的a u s n 非导电膜存在较为严重的失效问题。 复旦大学工学硕l 学位论文 第2 章a u - s n 界面金属间化合物的研究 2 1 概述 在电子封装中，a u s n 的共晶键合技术已经被广泛的用于c o f 互连中。从焊 接角度讲a u s n 共晶键合属于钎焊过程，是一些液态的低熔点金属或合金( 钎料) 与过渡金属( 引线) 在焊接温度下相互作用，冷却后形成电路接头的过程【l l j 。以 a u s n 共晶为例，由于锡的熔点低，在键合过程中，锡在高温下溶化快速向表面 有a u 镀层的引线扩散最终形成稳定的共晶焊点。其间金属间化合物规律和组成 成分，极大地影响钎焊接头的强度、抗蠕变性、抗腐蚀性和可焊性“”。解决这一 问题的关键是如何有效地控制界面层内脆性金属间化合物的种类、数量、形态及 分布，但这方面的理论尚不成熟，需要进一步研究。因此关于a u s n 共晶界面金属 间化合物的生长行为也开展大量的研究工作。 本章主要研究了a u s n 焊点在钎焊过程中生成的金属问化合物的组成成分和 形貌特征以及生成和成长机制，并且通过金属间化合物相的厚度与时间关系的经 验公式研究了a u s n 化合物在2 4 5 1 2 2 8 5 ( 3 之间的生长规律，进而对其控制有着重 要的意义。 2 2 实验方法 2 2 1 样品材料和参数 本实验的设计如图8 所示，在几何尺寸为8 x 8 m m 、厚度为5 0 0 u m 的上下两层 s j 芯片上分别电镀5 1 z m 的s n 和1 0 2 z m 的a m 。为了电镀工序的需求以及防止 镀层金属a u 或者s n 向s i 衬底中扩散同时也可提高镀层金属和s i 基底之间的黏附 力，在电镀a u 或者s n 2 _ 前，先在芯片表面用溅射的方法分别溅射0 1 u m 的c r 或c u 。 图8a u s n 共晶样品示意图 复哩大学工学硕士学位论文 2 2 2 键合工艺 本次实验使用的是t o r a y 公司出的f g 2 5 0 0 键合机( b o d e 0 ，键合流程如图9 所示，首先，为了避免污染键合机的基台将下层芯片背面黏附在一块玻璃基板上， 随后将玻璃基板与其上的下层芯片通过真空吸附的办法固定在键合机的基台上 其次把在s n 镀层表面涂覆有一层活性松香助焊剂的上层芯片，对位放置在下层芯 片上，最后热压头在一定的温度和压力下热压上层芯片，保持一段时间以后，热 压头迅速上升离开样品，样品制备完成。 图9a u s n 键合样品制备流程 2 2 3 截面样品的制作 为了清晰的观n a u s n 界面，需要制作截面样品，这就要对上节所述的样品 进行显微刨样。刨样使用a l l i e d 公司生产的精密抛光机，依次用1 8 0 目、3 2 0 目、 6 0 0 n 、8 0 0 目、1 2 0 0 目以及0 i g m 颗粒的晶相砂纸抛光样品，使样品表面尽量平 整。对于需要用扫描电子显微镜( s e m ) 观测的样品还需在2 0 的盐酸溶液中浸泡5 分钟。这是因为盐酸溶液可以将横截面上的剩余的s n 腐蚀掉，而界面处生成的金 属间化合物不能与盐酸反应，于是保留了下来，金属间化合物与其他部分就存在 高度的差异，便于s e m 识别。 2 2 4 工艺参数的控制与选择 图1 0 测温样品制备示意图 对于钎焊工艺来说焊接过程中影响金属间化合物的形成与生长，进而影响焊 复旦大学工学硕士学位论文 点的接头强度的主要因素是焊接过程的温度以及其恒温时间。因此如何科学合理 的控制热压过程中键合界面的温度和恒温的时间是本实验的要点同时也是难点。 通过上节对键合工艺介绍可以得知，本实验a u s n 界面夹在上下两层芯片之 间控制其温度存在一定的困难。在键合机的控制系统中可以设定热压头的温度， 然而热压头的热量要经过上层芯片才能到达键合界面，期间必然存在一定的损 失，因此键合界面的温度并不能近似等于热压头的温度。为了精确测定键合界面 的温度，在本实验中，特别设计了测温的样品。如图1 0 所示，高灵敏的热电偶探 头通过热键合被固定在上文所述的上下两层芯片之间。图1 1 为利用该测温样品的 测量温度一时问曲线的使用流程。该流程分为三个步骤： 图1 1 键合过程中键合界面温度曲线测试流程 复旦大学工学硕士学位论文 ( 1 )利用键合机热压该样品，同时将热电偶测得的界面温度数据输入并存 储到配套的热电偶测试仪中： ( 2 ) 待全部热压工艺完毕再将数据输出至计算机： ( 3 ) 利用专门的软件绘制出整个键合过程中键合界面的温度曲线。 掌握了键合界面温度一时间曲线的测量方法就可以准确的了解在不同的热压 头温度下键合界面的实际温度，进而通过调节热压头的温度设定而得到实验者想 要得到的键合界面的温度一时问曲线。 a u s n 的共晶键合技术在c o f 互连技术的应用主要表现为两种形式，即 a u s n 热压工艺和a u s n ! i e 导电膜工艺。如上文所述，a u s n 接头的性能将直接由 键合过程中界面的温度和恒温时间决定实验中所使用的全部工艺参数如表1 所 示。根据钎焊工艺的经验规律，工艺温度一般都在钎料熔点以上1 5 3 0 。对于 a n - s n 共晶键合技术，钎料即为s n ，其熔点为2 3 2 因此本实验选择的键合温 度为2 4 5 、2 6 5 、2 8 5 目前为了提高生产效率a u s n 键合的恒温时间都很短， 一般在4 8 s 。鉴于此，在本实验中a u s n 键合的恒温时间选定为4 s 、7 s 和1 0 s 。 表1a u s n 键合样品工艺参数 工艺编号 键合温度( )恒温时间( s )样品数量 12 4 543 22 4 573 32 4 51 03 42 6 54 3 52 6 5 7 3 62 6 51 03 72 8 543 82 8 573 92 8 51 03 2 3 结果与讨论 2 3 1a u s n 界面的微区结构研究 2 3 1 1a u - s n 金属问化合物的研究现状 图1 2 为a u 2 s n 二元相图。1 。从图中可以看到，在室温范围内，a i l s n 扩散 中至多可能出现的中间相依次为：b ( a u l o s n ) ，白 ( a u s s n ) ，d ( a u s n ) ，e ( a u s n 2 ) ， _ | l ( a u s n 4 ) 。但实际上由于扩散动力学因素，不一定所有中间相都出现，而只能通 过实验才能确定那些中间相会出现。在已有大量的a n s n 扩散偶实验中，发现会 出现的中间相为：f ( a m 5 s n ) ，d ( a u s n ) ，e ( a u s n 2 ) ， 1 ( a u s n 4 ) ，但必须具备一定条 件，例如，满足一定成分要求的a u s n 扩散偶，在一定温度下进行退火，可以出 现i ( a u 5 s n ) “2 s e 而在州曲。散偶实验中，发现可出现b ( a u l o s n ) 。表2 列出了 复旦大学工学硕士学位论文 a u s n - 元系中各相的主要性质。“1 。特别值得注意的是，a u s n 相为n i a s 结构， 该结构的主要特点为“”：a u 原子在a u s n 晶格上，产生大量的缺陷( 空位或间隙原 子) ，而且a u 的含量可以在一定的范围内变化；更重要的是，这利于a u s n 进一 步发生相变，变为其他相( 如a u s n 2 ，a u s n 4 ) 已有研究表明，a l l s n 扩散偶总的初始成分百分比，决定了最终态的组成相 “”捌大量的实验和研究已经确定，a u s n 扩散初始态的组成相是一致的：同时 形成a u s 和a u s n 4 相“，并且开始生长的时间极短，从几秒到几分钟不等。经 实验发现当s n 含量大于5 0 时，初始态中的a u s n 将转化为a u s n 4 + a u s n 2 ，a u s n 则减少或消失；当s n 含量小于5 0 时，初始态中的a u s n 4 将转化为a u s n ，最终 a u s n 4 将消失。 t i r e p a m - $ a 图1 2 a u s n 相图 表2a u s n 二元系中各相的主要性质 生成焓密度 相 s n 含量( ) 结构熔点( ) ( k j m o l l )( g c n l 。) a ( a u ) 0 6 8 1c u 1 0 6 4 4 5 3 20 一1 0 81 9 3 1 8 6 b ( a u l o s ) 8 0 9 1 n j 3 t i 5 3 2 1 0 o 1 7 6 m g 5 2 13 3 3 一4 0 6 ( a u s s n ) 1 6 h c p 1 9 01 7 0 8 d ( a u s n ) 5 0 o 5 0 5 n i a s4 1 91 5 2 31 1 7 4 e ( a u s r l 2 ) 6 6 7 正交3 0 9- 1 4 1 41 0 0 7 n ( a u s n , ) 8 0 p t s m2 5 77 7 49 2 b s n9 9 8 1 0 0 0 b s n2 3 207 2 8 复旦大学工学硕士学位论文 2 3 1 2a u - s n 界面的微区结构观察 图1 3 为经过o k m 颗粒的晶相砂纸抛光的a u - s n 样品截面放大1 0 0 0 倍的光学 显微镜图像。其中图( a ) 的工艺条件为2 4 5 c ，保温7 s 。该照片有着明显的s n 向a u 扩散的迹象，在下层芯片的s i 基底上，未受到s n 影响的a u 镀层仅剩约4 9 m 。在 a u s n 界面处有金黄色的富金相和白色的富锡相出现。其中富金相呈现不规则球 状，彼此相连，占据界面的主体，而富锡相分布于富金相的间隙之中，没有固定 的形状。图1 3 ( b ) 的工艺条件为2 6 5 ，保温7 s 。将其与图( a ) 作比较可以发现， 随着温度的上升富锡相的比重大幅度提升。由此可以推断，温度是s 在a l u 体系 中扩散速率的决定性因素。 ( a ) 2 4 5 c 保温7 s 的a u s n 样品截面 ( b ) 2 6 5 保温1 0 s 的a u s n 样品截面 图1 3a n s n 样品截面光学显微镜照片 图1 4 为经过盐酸溶液腐蚀后a u s n 界面的s e m 图像，为了探明a u s n 界面金 属间化合物的组分。实验中分别对图1 4 ( a ) 中1 号、2 号、3 号、4 号点进行了能量色 复旦大学工学硕士学位论文 散型x 射线荧光分析( e d x ) 。每一点的e d x 谱图以及a u 、s n 原子比如表3 所示。 图1 4a u s n 界面s e m 图像 复旦大学工学硕士学位论文 1 号点在富金相中，s n 在该区域中的扩散非常有限，a u 原子的比重接近9 9 。 由2 、3 、4 号点的a u 、s n 原子比可知，在富锡相中，s n 的分布并不是均一的。越 是远离a u s n 界面的位置，s n 的含量越少。在2 号点a u 、s n 原子比接近l ：1 ，故 首先在a u s n 界面上形成的是a u s n 相( 与经验规则一致“刎) 。如图1 4 ( b ) 所示， a u s n 以层状方式生长于富金相之上，厚度约卜2 p r o 。在3 号和4 号点，a u 与s n 原 子比分别为1 ：1 5 和1 ：4 。由于键合温度的限制，在键合工艺过程中只有s n 会融 化，在本实验中a u s n 扩散以液态的s n 向固态的a u 扩散为主。这也就解释了，即 使在富锡相中a u 也是过量的。如上节所述，当s n 含量小于5 0 时，a u s n 化合物 的最终态为a u s n 。故而在本实验形成的富锡相的成份为a u 和a u s n 的混合物。将 这一结果结合富锡相中a u 、s n 原子比的数据可得在3 号点和4 号点，a u s n 化合物 与a u 的组成比分别为为2 ：l 和1 ：3 。 表3e d x 测试结果 序号s n 原子百分数( )a u 原于白分数( ) l1 0 89 8 9 2 24 8 9 l5 1 0 9 33 9 5 56 0 4 5 41 9 1 18 0 8 9 但是为什么当s n 含量小于5 0 时，最终组成相为a u + a u s n 呢? 图1 5 ”