（材料学专业论文）mems封装中的倒装芯片凸点技术.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本论文在简短概述了倒装芯片技术和微机电系统( m e m s ) 的特点和国内外概况 后，选定了一套凸点制备的实现方案。通过实验摸索得到了最佳的工艺参数，完成 了凸点制备后，并对凸点系统的各种性能进行了研究。 首先，介绍了溅射方法实现凸点下合金层( u n d e rb u m pm e t a l l u r g y - u b m ) 的制备 工艺。在讨论u b m 的功能与结构后，选定了一个简单且功能完善的u b m 序列。对 磁控溅射的原理、设备特征以及靶材规格做了简单介绍。通过实验确定各种u b m 金 属膜的溅射功率、气压以及沉积速率。结果表明：磁控溅射镀膜中沉积速率是随工 作气压的增大而先增大后减小。工作气压存在一个最佳值，当在这个气压下工作时， 沉积速率将达到最大。 其次，本文介绍了利用甲磺酸锡铅合金镀液制备电镀凸点的工艺过程，详细讨 论了影响电镀质量的工艺参数：表面光亮度、分散及覆盖能力、沉积速率等。研究 发现，电流密度d k 与最低搅拌转速密切相关。在不同的d k 和沉积时间下，镀液的 分散能力较为稳定，合金的沉积速率也较为适当。此外，在甲磺酸浓度、d k 一定的 条件下，适当地提高搅拌转速有利于改善凸点的电镀质量。 在回流后发现：氧化物是影响回流后凸点表面光洁度和外形的主要障碍。在助 焊剂保护的情况下，不仅可以阻挡氧气的侵入，而且还能去除氧化物，因而凸点能 回流成光亮的球形。对电镀凸点的剪切强度测试表明，电镀缺陷产生的微孔洞将会 显著降低凸点的剪切强度。 关键词：倒装芯片，微机电系统，凸点下合金层，溅射，凸点，电镀，锡铅合金， 甲磺酸 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t c h a r a c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p m e n ts i t u a t i o no f f l i pc h i pt e c h n o l o g y a n dm e m s ( m i c r o e l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ) w e r eb r i e f l yi n t r o d u c e da n dab u m p i n gm e t h o d ，s p u t t e r i n g u b m ( u n d e rb u m pm e t a l l u r g y ) a n de l e c t r o p l a t i n gs o l d e rb u m p ，w a s c h o s e nt oi m p l e m e n t b u m ps y s t e m t h eo p l i m a lp r o c e s sp a r a m e t e r sb yw h i c hu b m a n ds o l d e rw a sf o r m e d w e r ec o n c l u d e di n e x p e r i e n c e a f t e rb u m p s w e r ef o r m e dt h e b u m p i n gs y s t e m s p e r f o r m a n c e w a s a n a l y z e d p r e p a r a t i o np r o c e s so f u b m s y s t e ma c h i e v e db ym a g n e t r o ns p u t t e r i n gw a sp r e s e n t e d a f t e rt h ef u n c t i o na n ds t r u c t u r eo fu b mw a se x p l a i n e da n dat y p i c a la n ds i m p l yu b m s t r u c t u r ew a sc h o s e nf o rb u m p i n gs y s t e m t h ep r i n c i p l eo fm a g n e t r o ns p u t t e r i n ga n d e q u i p m e n t c h a r a c t e r i s t i c sw e r eb r i e f l yi n t r o d u c e d t h es p u t t e r i n gp o w e r , a i rp r e s s u r ea n d d e p o s i t i o nr a t ew e r ed e t e r m i n a t e di nt h i st h e s i s a sar e s u l t , t h ed e p o s i t i o n r a t eo fm e t a l f i l m s ，t ia n dc u ，w e r ef o u n di n c r e a s i n gf i r s t l ya n dt h e nd e c r e a s i n g 们t l l t h ea i rp r e s s u r e i n c r e a s i n g t h e r e w a sa no p t i m a lv a h l eo fa i rp r e s s u r eu n d e rw h i c ht h em a x i m u m d e p o s i t i o n r a t ew a so b t a i n e d t h ep r o c e s so f p r e p a r i n gs o l d e rb u m pb ye l e c t r o p l a t i n gw a s i n t r o d u c e d t h ef a c t o r s t h a ti n f l u e n c e dt h ee l e c t r o p l a t i n g q u a i i t yw e r ed i s c u s s e d ，s u c ha s s u r f a c eb r i g h m e s s ， t h r o w i n ga b i l i t y , c o v e r i n ga b i l i t ya n dd e p o s i t i o nr a t e i tw a s f o u n dt h a td kw a si nr e l a t i o n w i t l lm i n i m u m s t i r r i n gs p e e d t h e n t h r o w i n ga b i l i t ya n dd e p o s i t i o nr a t ew a s s u i t a b l ef o r e l e e t r o p l a t i n ga td i f f e r e n td k a n d d e p o s i t i o nt i m e f u r t h e r m o r e ，w h e nt h ec o n c e n t r a t i o n o f m e t h y l s u l f o n i ca c i da n dd k w e r en o tv a r i e d ，i n c r e a s i n gt h es t i r r i n gs p e e dw o u i di m p r o v e t h eb u m p q u a l i t y o x i d ew a st h em a i no b s t a c l eo fs o l d e rf o r m i n gb r i g h ts u r f a c ea n dr e g u l a rs h a p ei n r e f l o wp r o c e s s u n d e rt h ef l u xp r o t e c t e d ，o x y g e nc o u l dn o ta p p r o a c ht h es o l d e rs u r f a c e a n dt h em e t a lo x i d ew o u l db er e m o v e d ，s ot h es o l d e r sc a nf o r mp e r f e c to u t l i n e t h es h e a r t e s to fb u m ps h o w e dt h a tt h es h e a rs t r e n g t ho fb u m pd e g r a d e ds i g n i f i c a n t l yw i t ht h e f o r m a t i o no f m i c r o - v o i d si nb u m p k e y w o r d ：f l i pc h i p ，m e m s ，u b m ，s p u t t e r i n g ，b u m p ，e l e c t r o p l a t i n g ，t i n - l e a da l l o y , m e t h y l s u l f o n i ea c i d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己在文中已明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名狮物 日期沙缛弛月。日 学位论文版面使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适应本授权书。 本论文属于 不保密d ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：研嗪彬 指导教师签 日期参绛g 月日。目辨 华中科技大学硕士学位论文 1 概述 1 1 m e m s 介绍 1 1 1m e m s 的定义 m e m s 是英文m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s 的缩写，即微电子机械系统。各 国对于该技术的称为方式不同，日本称微机器( m i c r om a c h i n e ) ，美国称m e m s ，欧 洲则为微系统( m i c r os y s t e m ) 。微电子机械系统( m e m s ) 技术是建立在微米纳米技术 o 讧i c r o n a n ot e c h n o l o g y ) 基础上的2 l 世纪前沿技术，是指对微米纳米材料进行设计、 加工、制造、测量和控制的技术。系统的尺寸范围在l g m 到l m m 之间，图1 1 为一 个真实微型车床实例的示意图。 图1 1 微型车床 m e m s 是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术，该技术将对未来人类 生活产生革命性的影响1 1 , 2 ，3 】。它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等 多学科。对微电子机械系统( m e m s ) 的研究主要包括理论基础研究、制造工艺研究及 应用研究三类。理论研究主要是研究微尺寸效应、微磨擦、微构件的机械效应以及 微机械、微传感器、微执行器等的设计原理和控制研究等；制造工艺研究包括微材 料性能、微加工工艺技术、微器件的集成和装配以及微测量技术等：应用研究主要 是将所研究的成果，如微型电机、微型阀、微型传感器以及各种专用微型机械投入 实用。图1 2 为一假想微型风媒探测、发信器的结构图，其中包括了多种学科领域的 各种技术。 1 1 2m e m s 器件的制备工艺 微电子机械系统( m e m s ) 的制造，是从专用集成电路( a s l c ) 技术发展过来的，如 同a s i c 技术那样，可以用微电子工艺技术的方法批量制造。但比a s i c 制造更加复 华中科技大学硕士学位论文 杂，这是由于微电子机械系统( m e m s ) 的制造采用了诸如生物或者化学活化剂之类的 特殊材料，是一种高水平的微米纳米技术。微米制造技术包括对微米材料的加工和 制造。它的制造工艺包括：光刻、刻蚀、淀积、外延生长、扩散、离子注入、测试、 监测与封装。纳米制造技术和工艺，除了包括微米制造的一些技术( 如离子束光刻等) 与工艺外，还包括利用材料的本质特性而对材料进行分子和原子量级的加工与排列 技术和工艺等。 微电子机械系统的典型加工工艺包括硅工艺和特种加工工艺。其中硅工艺又分 为平面牺牲层硅工艺和体硅工艺。特种加工工艺包括l i g a 工艺、准分子激光加工 工艺等。 图1 - 2 微型风媒探测、发信器 图1 - 3 平面牺牲层硅工艺步骤 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 平面牺牲层硅工艺 该项技术在1 9 6 7 年由n a t h a n s o n 等人首先实现【4 】，当时他们采用金作为功能层、 光刻胶作为牺牲层。利用多晶硅作为功能层，氧化硅作为牺牲层是在1 9 8 5 年由h o w e 和m u l l e r 首次实现的l5 1 。后来很多学者和研究人员利用平面微机械技术实现了多种 微机械设备。现以利用该法制备微型齿轮为例讲解其基本步骤，如图1 - 3 所示。首先 在基板上按照需要的图形沉积一层氧化硅，然后沉积多晶硅结构功能层。多晶硅层 将最后成为结构元件，比如齿轮等。通过多次的沉积氧化物和多晶硅后，实现所有 的结构部件。最后使用氢氟酸溶液腐蚀氧化硅牺牲层得到如图1 - 4 所示的微型齿轮部 件。平面牺牲层工艺被大量使用到m e m s 器件的制备当中，比如汽车防撞气囊触发 器中的加速度计等。 图t - 4 微型齿轮外形 ( 2 ) 体硅工艺 体硅工艺也称为块硅工艺，是通过深度蚀刻硅片的方式制备微机械系统 6 1 。刻蚀 的方式有很多种，根据刻蚀的方向性可分为各向同性和各向异性刻蚀。各向异性刻 蚀是通过刻蚀工艺对硅各种晶向的腐蚀率不同而实现的。由于某些被称为刻蚀阻挡 面的晶面的刻蚀速度极其缓慢。于是得到的刻蚀槽一般呈v 字形或者长方体槽。各 向异性刻蚀经常用来刻蚀v 形槽、锥形槽、通道等几何结构。相反各向同性则在各 个方向上的腐蚀率相同，得到的腐蚀槽为半球形和圆柱性。根据刻蚀的工艺不同分 为湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀是利用对硅片具有腐蚀性的溶液对基片进行选择 性刻蚀，比如一种各向同性的刻蚀液被称为h n a ，它是由h f 、h n 0 3 、c h 3 c o o h 组成的混合溶液；各向异性的腐蚀液一般为碱金属的氢氧化物溶液，比如k o h 溶液。 干法刻蚀有时也称为深反应离子刻蚀( d r i e ) ，是利用等离子体在硅基片上直接刻蚀 各种功能结构。表l 一1 为各种刻蚀方式得到的截面图形。图1 5 是各向异性刻蚀得到 的各种微小结构。 体硅工艺一般与硅片键合( w a f e rb o n d i n g ) - - 起结合使用。硅片键合技术是将硅片 永久结合在一起的一种键合技术。具体的接合工艺方案有多种，比如：阳极键合技 华中科技大学硕士学位论文 术( a n o d i cb o n d i n g ) 、溶硅结合技术( s i l i c o nf u s i n gb o n d i n g ) 等。通过将几个体硅晶片 的结合在一起，可以得到更加复杂的微机械结构。 表1 - t 各种刻蚀方法得到的截面 湿法刻蚀干法刻蚀 各 项 飞，飞， 同 性 各 项 一层，_ l l 异 性 图1 - 5 各向异性刻蚀在硅表面形成的坑穴 ( 3 ) l i g a 工艺 l i g a 是德文l i t h o g r a p h i e 、g a l v a n o f o r m t m g 、a b f o r m u n g 的缩写。即深x 射线 舷u ( d e e px - r a yl i t h o g r a p h y ) ，电镀( e l e c t r o p l a t i n g ) ，铸造成型( m o l d i n g ) 。其基本工 艺过程如图1 6 所示。第一步x 射线光刻用于光刻胶( 比如s u 一8 、p m m a ) 的成形， 机理在于该射线能改变光刻胶的一些特性，比如在负性胶( s u 一8 ) 中它能使得分子链交 联键合，在正胶( 孙o a ) 中则是破坏链结构或者减小分子的重量。光刻掩膜是在对x 4 华中科技大学硕士学位论文 射线是透明的碳素薄膜上形成一些需要花样的金吸收物而制成。通过掩膜板的阻挡， x 射线使得基板上部分光刻胶曝光。光刻胶曝光后浸入到显影液中，对于负性光刻 胶来说没有曝光的部分就会被腐蚀掉，对于正胶则恰信相反。显影后对会在基扳 上得到与预定微结构互补的光刻胶花样。第二步将形成了花样的导电基板放入到电 镀溶液中，电镀金属就会沉积在光刻胶形成的窗口中，一直到全部填满整个窗口。 这时继续电镀，电镀金属就会与其周围其他窗口的电镀沉积金属相互连接起来形成 一个与基板平面平行的底面。在这个底面达到足够厚后，从电镀液中取出，并与基 板分离，得到一个的微结搀模县。最后通过各种的铸造方式在擞摸具中铸褥微结构 部件。 l i g a 工艺的优点在于高深宽比，能制备多种材料的微结构器件( 比如金属、合 金、聚合物、高温陶瓷等等) ，并且制模过程提供了大规模生产的能力。缺点就是组 装不是很方便。 图1 - 6 l i o a 工艺过程 1 1 。3m e m s 器件的封装特点 封装是将m e m s 器件或者系统“包装”进受保护空间的过程、方法和行业。借 助于工程和制造技术。封装将m e m s 嚣件或者系统装配成一个可翅约整体，使之能 安全而且可靠地运行于其工作的环境中。定义之所以这么广泛，是因为各种不同的 实例有其独特的封装要求。在i c 工业中，电子封装必须为高频率的电子信号提供可 靠的高密度的电连接。与其不同的是，m e m s 的封装则必须解决更加复杂而且多样 华中科技大学硕士学位论文 化的需求带来的封装问题【7 8 】。首先封装必须将m e m s 机构从其工作的环境中保护 起来，另外必须提供电子信号的连接通路，在某些情况下还必须存在器件与外部环 境的互动窗口。比如，一个压力传感器必须始终保持与压力媒介间的接触，但又要 保护器件使之并不暴露给压力媒介中的某些有害物质；个微型阀门的封装除了要 提供电连接外还必须提供流畅的通道。由于m e m s 封装需求的多样化，m e m s 封装 的标准缺乏，封装也由各个公司自主设计。一般情况下，实现标准过程中的难度能 导致失败更高的可能性，就意味着封装会更加复杂而成本也更高。 封装是必须的但又存在很多不足。封装使得整体尺寸变大，这就势必抵消m e m s 器件小形化的突出特点。而封装的成本也是相当昂贵的：封装成本远高于实际m e m s 器件的制造成本，往往封装成本会占据整个器件或者系统总成本的7 5 到9 5 。这 些影响因素在早期的集成电路封装中也出现过。由于大规模甚至超大规模集成电路 的发展，为了减小封装的对整体尺寸和成本的影响，高密度的封装方式诸如表面安 装技术( s m t ) 等成为了当今电子封装的主流形式。与之大不相同的是m e m s 封装却 发展极其缓慢并且大部分技术都来源于集成电路工业，高度发达的集成电路封装技 术到底会不会推动m e m s 的发展却并不明朗。如果会，那也必须在巨大的市场驱动 下，特别是大量的应用实例出现时才有可能，而且工艺的标准化过程也是必要条件 之一。 图1 7 m e m s 器件流程简图 图1 7 是m e m s 器件的封装流程简图。在晶圆级的制造完成后，首先进行第一 次的检测和测试。然后晶圆被固定在一个特殊的粘带上进行锯分，将晶圆分割成孤 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = 一一 立的元件。一些后续步骤会在此时进行，比如刻蚀牺牲层等。然后一个或者几个芯 片被放置在陶瓷、金属头或者预制的塑料框架内，电连接通过导线键合、倒装焊或 者其他的方式实现。然后利用陶瓷、金属或者塑料的盖子将整个框架封闭起来，最 后进行各种校正和测试。这只是一个一般的例子。并不是所有的m e m s 器件的封装 步骤都完全一样。 1 2 倒装芯片技术简介 1 2 1 倒装芯片技术工艺步骤 倒装芯片的主要的系列工艺步骤包括【1 0 1 ：底部金属层( u n d e rb u m pm e t a l l u r g y - - u b m ) 沉积、凸点制作( b u m p i n g ) 、互连( i n t e r c o n n e c t i o n ) 、底部填充( u n d e r f i l l i n g ) 年1 固 化( c u r i n g ) 。 ( 1 ) u b m 沉积 因为焊料等不能和芯片上的m 基底直接互连，所以要在其上面沉积过渡层，称 之为底部金属层沉积。一般地，u b m 包括三层结构 1 1 】：扩散阻挡牯附层( 0 1 5 o 2 “m ) 、润湿层( 1 5 肛m ) 、抗氧化层( o 0 5 0 1 岫) 。所用的材料组合出现了t i c u a u 、 t i c u 、t i c u n i 、t i 、w c u a u 、c r c u a u 、n i a u 、t i n i p d 等，根据不同的凸点材 料以及互连工艺要求而定。目前采用的沉积工艺主要有溅射、蒸镀、化学镀三种基 本方法。 ( 2 ) 凸点制作 在u b m 准备好后，要在上面制各出一定厚度的球形或者方形凸点，作为芯片互 连的引脚。对于凸点制作，则出现了很多种不同的方法，主要有：印刷焊料凸点、化 学镪n i 凸点、蒸镀焊料凸点、电镀焊料凸点、钉头焊料凸点、放球凸点、焊料转移 凸点、导电聚合物凸点1 2 】。一般地，u b m 与凸点制作工艺是连续进行的。这里简单 介绍印刷焊料和化学镀n i 方法的基本工艺流程。 图i - 8 是印刷焊料凸点成型的主要工艺步骤示意图【1 3 1 。首先采用反向溅射的方法 去除a 1 盘表面的氧化物和有机残留物，同时使得钝化层表面粗糙；然后在其表面依 次溅射越、n i 和c u 薄层，并且刻蚀掉多余的u b m 部分；接着印刷一定厚度的焊膏； 最后将焊膏回流熔化成凸点小球。 化学镀n i 主要用于u b m 的沉积，但是如果沉积比较厚的n i ，则可直接沉积出凸 点，用于导电胶的互连。图1 - 9 是化学镀n i 方法制备方形凸点主要工艺示意图 1 4 , 1 5 】。 首先采用碱性清洗液去除舢盘表面的油污，并用酸性溶液腐蚀掉氧化物和杂质；然 后把a l 盘浸入含z n ( o h ) 2 、n a o h 、和f e 、n i 或者c u 的混合强碱溶液中进行锌酸盐活 化处理，使得a l 表面沉积一层z n ；接着进行n i p 化学镀，沉积一层比较厚的( 典型 7 华中科技大学硕士学位论文 值：2 0 5 0 1 t m ) n i ；最后浸镀一层较薄的( 约5 u a n ) a u 。 ( a ) a i 盘准备( b ) u b m 的沉积 ( c ) 焊膏印刷 ( d ) 回流成凸点 图1 8 焊料印刷方法制备凸点示意图 ( a ) a l 盘准备 ( b ) 锌酸盐处理 ( c ) 镀n i ( d ) 镀a u 图1 - 9 化学镀n i 方法制备凸点示意图 ( 3 ) 互连、底部填充和固化 对于互连组装，出现了焊料和导电胶两种连接材料。焊料互连一般采用回流、 热压、热声等焊接互连方法；而导电胶互连则采用热压粘结方法。 若用焊料互连，一般要进行底部填充有机胶，然后进行热或者紫外光固化，见 示意图卜1 0 。底部填充一般采用流动注入法1 q ：而c p w o n g 则提出非流动0 帕- f l o w ) 的方法m ，即首先在基板上的互连区整体涂覆一层特殊材料，然后进行焊接，使互 8 华中科技大学硕士学位论文 连、填充与固化一步完成，其中特殊材料起到焊剂、粘结、填充等多重作用。 若用导电胶互连，则省去了底部填充工艺。首先在互连区涂覆一层导电胶( 或者 膜) ；然后让芯片凸点与基板焊盘对位；接着进行热压预键合和键合，使得导电胶固 化，完成芯片互连。 凸 0 热、压、超声振动 板焊盘 a )b ) 图1 - 1 0 焊料互连倒装芯片及其底部填充与固化示意图 1 2 2 倒装芯片技术的特点 相对于传统的芯片面朝上的导线键合技术面言，倒装芯片技术具备以下优点， 因而得到广泛的应用： n ) 小尺寸：小的i c 引脚图形减小了高度和重量。 ( 2 ) 功能增强：使用倒装芯片能增加i o 的数量。i o 不像导线键合中出于四周 而受到数量的限制。面阵列使得在更小的空间里进行更多信号、功率以及电 源等的互连。一般的倒装芯片焊盘可达4 0 0 个。 ( 3 ) 性能增加：短的互连线减小了电感、电阻以及电容，保证了信号延迟减少、 能应用于更高的频率、以及晶片背面散热性能更好。 ( 4 1 提高了可靠性：大芯片的环氧填充确保了高可靠性。倒装芯片可增加三分 之二的互连引脚数。 ( 5 ) 提高了散热热能力：倒装芯片没有塑封，芯片背面可进行有效的冷却。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 凸点制备技术 对于凸点制作，则出现了很多种不同的方法。主要有：金属掩膜蒸镀凸点、光 掩膜蒸镀凸点、印刷焊料凸点、钉头凸点、电镀焊料凸点、化学镀凸点和导电聚合 物凸点。m a t s u s h i t a i 捕j 开发出钉头凸点键合( s t u db u m pb o n d i n g - s b b ) 技术。采用球形 w b 的方法，在m e m s 器件上成球并截断根部，形成钉头状a u 凸点，然后凸点通 过导电胶或者热压与目标基板互连。丹麦的d e l t a 和m i c 中心用这种方法封装了一 9 华中科技大学硕士学位论文 种硅超微型麦克风【1 9 】。各种凸点的应用情况以及特点分别为： ( 1 ) 金属掩膜蒸镀凸点：i b m 在其中采用c 4 ( c o n t r o l l e dc o l l a p s ec h i pc o n n e c t i o n ) 和e 3 ( e v a p o r a t e de x t e n d e de u t e c t i c ) 技术。蒸镀过程如图1 1 1 所示，通常采用掩膜来 形成u b m 和焊料凸点的样式图案。在形成u b m 后，焊料蒸发而在焊盘上形成凸点。 此时凸点呈锥形。凸点的高度取决于蒸镀焊料量、掩膜高度及其开口尺寸。通常在 蒸镀过程之后，要对焊料凸点进行回流，形成球形凸点。 它的特征是需要金属掩膜、间距可以达到2 5 0 “m ，凸点高度为1 0 0 - - 1 2 5 m ，但 是成本较高。c 4 与e 3 的区别在于蒸镀焊料的不同，c 4 是直接蒸镀s n 5 p b 9 5 合金焊 料，而e 3 是先蒸镀p b ，然后在p b 上蒸镀一层薄s n 。 置千真空箱体内 图1 - 1 1 蒸镀法制备焊料凸点 f 2 ) 光掩膜蒸镀凸点：是上一种的变种，焊料蒸发并沉积到焊盘和光刻胶上，在 光刻胶和焊盘上沉积的焊料是不连续的。通过随后取下光刻胶，则其上的焊料也被 去除，剩下的焊料即形成焊料凸点。其特点在于间距最小可以2 0 0 i _ u n 。 f 3 ) 印刷焊料凸点：模板印刷方式制备流程如图1 1 2 所示，通过刮刀和模板将焊 料印刷到焊盘上。对于细间距情形，由于模板印刷不能均匀分配焊料体积，因而应 用收到限制。影响模板印刷的工艺质量的因素很多，包括印刷压力、间隙高度、环 境控制、回流温度曲线等参数。另外模板的设计与制造对回流后凸点的外形有很多 影响，其设计应综合考虑到孔径位置、大小、形态以及模板的粘接性的因素。 d e l c oe l e c t r o n i c s ( d e ) 、f l i pc h i pt e c h n o l o g i e s ( f c d 等公司采用这种方法用于 f l e xo nc h i p ( f o c ) 中，以提高热疲劳性能。其特征有：最小间距为2 0 0 m 、模板厚 度为1 0 0 - - 5 0 u m 。另外，产能也比较大。 f 4 ) 钉头凸点：其工艺过程如图1 1 3 所示。用于钉头的材料一般是金，所以该凸 点类型是无铅的。其特征有：最小球直径可以达到4 5 斗m ( 三倍于金线的直径) 、最小 间距可以达到7 0 u m 、不需要u b m 、可以用于单i c 的封装、不能自对准、成本低但 l o 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = ；= = = = = = = ；= = = = 一= 。 是产能不大。 黧趣 c ) 印捌焊育d ) 回流 图1 1 2 印刷焊料凸点工艺 盘 片 图1 - 1 3 钉头凸点工艺 ( 5 ) 电镀焊料凸点：t e x a si n s t r u m e n t s 、m o t o r o l a 、n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 等公司 在凸点内部采用微c u 球技术。这类凸点可以用其他的凸点材料，比如金、或者金锡 合金等无铅焊料；电镀过程可以减少芯片的内应力：装配设备可以与其他的微电子 连接设备兼容：最小间距可以达到4 0 9 m ，凸点高度可以达到3 0 - - 7 5 p m 。但是这种 方式也存在不少困难：凸点的高度高度依赖于电镀电流的强度；由于不同的电流强 度流经芯片，所以得到了不同的凸点高度；并且在应用光刻薄膜时也存在不少困难， 比如分散、对准、曝光等。 竺一 ，11一 。一 塾 华中科技大学硕士学位论文 ( 6 ) 化学镀焊料凸点；不需要电极，不需要光刻掩膜，直接通过化学沉积的方式 在铝压焊盘上形成金属层凸点。过程如图1 - 9 所示。凸点材料可以采用n i a u f 无铅) ， 最小间距可以达到7 5 p m ，凸点直径可以达到4 0 p 。m ，凸点高度可以小到5 3 0 u m 。 ( 7 ) 导电聚合物凸点：o h 等人1 3 ) 在m e m s 的f l i p c h i p 封装中采用了这种凸点。 这是一种全新的凸点技术，最小凸点尺寸可以达到1 0 0 灶m ，但是由于凸点中存在聚 合物的原因它的接触电阻非常大。这种凸点还包括两种情况：一种是各向同性的导 电聚合物凸点；另种用各向异性连接的f l i p c h i p 结构。 1 3 2 倒装芯片技术在m e m s 中的应用实例 ( 1 ) 采用溅射电镀方式实现的凸点连接 肖国伟等人采用溅射电镀制作凸点的方式成功的在柔性基扳上实现了压力传感 器的封装1 2 0 i 。如图1 1 5 和1 1 6 所示。 这种f l i p c h i p o n - f l e x ( f c o f ) 技术可以应用于 三维的封装形式，因为其基板是柔性的，可以被弯曲成曲面。并且其还具有低成本、 高密度、低外形、高性能等优点。该系统通过f c o f 技术，将传感器和执行器直接封 装在柔性基板上，传感器与执行器间由基板上的铜导线实现电连接，体现真正意义 上的板上系统( s y s t e m o ns u b s t r a t e ) 。基板上的微孔是为压力传感器开通的一个通向外 部环境的窗口。执行器底部的填充物是为了缓解由于基板与芯片的c t e 不同而可能 出现的热应力集中。其传感器和执行器的凸点制作都是通过标准的i c 凸点工艺实现， 但是在回流过程中助焊剂的使用可能会影响系统的使用寿命。 图】一】5 压力传感器封装示意图 ( 2 ) 采用f l i pc h i p 技术的m e m s 器件的批量转移 美国c o l o r a d o 州b o u l d e r 大学的i r w i n 等人【2 1 】采用了一种批量转移方法，见示意 图1 1 7 。主要步骤包括在m e m s 器件上用球形w b 方法制备直径为1 0 0 9 i n 的钉头 华中科技大学硕士学位论文 a u 凸点，然后通过热声焊与目标基板互连，接着腐蚀s i 0 2 ，最后释放主基板。这类 方法主要用于r f - - m e m s 的封装中，比如可变电容、光开关等。 圉1 1 6 压力传感器实物图 ( a ) 对m e m s 芯片组进行凸点 ( b ) 器件与日标基板互连 ( c ) h f 溶液腐蚀去除s i 0 2 ( d ) 主基板的释放 图1 - 1 7 批量转移m e m s 器件的倒装芯片封装示意图 ( 3 ) 导电聚合物凸点f l i pc h i p c i n c i 衄a t i 大学的o h 等人【2 2 】将高2 5 肛m 的热塑性导电凸点应用于砷化稼光电探 测器的封装中，见图1 - 1 8 。其接触电阻低、封装温度低( 1 7 0 c ) 、具有较好的机械 稳定性，适合于很多微光机电系统( m i c r o o p t i c a le l e c t r o n i c m a c h i n e s y s t e m m o e m s ) 的封装a 华中科技大学硕士学位论文 = z 2 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = 一 圉1 一1 8m o e m s 中导电聚合物凸点的倒装芯片封装示意图 1 4 研究目的和内容 1 4 1 研究目的 ( 1 ) 研究一套f l i p c h i p 凸点的制造方法，其中包括u b m 和凸点的制备。针对整 套工艺方案的进行探讨，通过实验证明方案的可行性并最终实现之。 ( 2 ) 研究工艺参数对制备得到的u b m 及凸点之质量的影响。 ( 3 ) 研究制备所得韵u b m 以及凸点的机械及电性能，确定影响这些性能的各种 因素，为后序的可靠性分析提供指导。 1 4 2 研究内容 ( 1 ) 通过溅射方法完成u b m 制备。由实验总结出溅射t i 、c u 金属膜的功率、气 压等参数，并研究其变化给制膜带来的影响。确定溅射t i c u 的沉积速率以及溅射的 最优工艺参数，得出溅射所需厚度u b m 层的时间。 ( 2 ) 对u b m 层的粘附强度进行测试，确定影响其粘附强度的影响因素。 ( 3 ) 通过甲基磺酸镀液系统电镀沉积焊料。研究镀液成分、温度、时间、电流强 度等对焊料沉积厚度、焊料镀层品质的影响规律。确定最佳电镀工艺参数。 ( 4 ) 对凸点的机械强度以及电性能进行测试，确定影响结合强度的主要原因，并 分析互连结构下的断裂分离形式。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 实验 2 。l 工艺选择及过程 2 1 1 u b m 的功能及组成 m e m s 器件或者芯片i o 电极常为铝或铝合金，难以跟p b s n 焊料直接形成连接。 从金属结合以及强度方面考虑则必须在v o 电极上制作一层基底金属膜。这层基底金 属膜必须具有三个功能：提供对下表面的粘附、提供焊锡的浸润、阻挡焊锡与底层 金属膜的互相扩散。该基底金属膜英文首字母的缩写就是u b m c o n d e rb u m p m e t a l l u r g y ) 。 u b m 通常由粘附层、扩散阻挡层、润湿层等多层金属模组成。粘附层要求与铝 层及钝化层间的粘附性好，与铝层间接触电阻小，并且热膨胀系数必须接近。通过 金属化系统中常用金属的性能比较，可以用作该层的金属：c r 、t i 、t j w 、v 等。 扩散阻挡层要求能有效阻止凸点焊料与灿、s i 间的相互扩散，避免凸点焊料进入铝 层，形成不利的金属间化合物。一些不利金属间化合物的产生会导致结合强度急剧 下降甚至失效。并且有些金属如果扩散到硅基底中会影响器件的性能。该层可以选 用的金属有：t i 、n i 、c u 、p b 、p t 、t i w 等。润湿层要求一方面能和凸点焊料良好 的润湿，可焊性好，且不会形成不利于焊接的金属间化合物，另外还能保护粘附层 和阻挡层金属不被氧化和污染。该层通常采用薄的a u 膜、a u 合金膜或者较厚的c u 膜，一般不采用a g 膜，因为a g 膜容易硫化，并且容易发生电迁移。表2 1 为各种 不同u b m 系统中各种金属膜的厚度 2 3 , 2 4 。 表2 - 1 常用u b m 结构以及厚度 对于p b s n 焊料凸点，常采用的u b m 序列有：t i w c u 、t i - w ，a “c u ，c r c r - c u c u ， a l n i v c u ，t d c u ，t i - w c u 化学镀n i ，t i c u 电镀c u 等。表2 2 给定了焊料凸点 华中科技大学硕士学位论文 = = = ；= = ；= = = = = ；= ；= = = = = = = ；= = = = = = = = = = = 一 ： 常用的u b m 系统以及其性能比较 2 5 , 2 6 1 ； 表2 - 2p b s n 焊料凸点常用的u b m 系统 2 1 2u b m 的制各方式 u b m 的制作是凸点制作的一个关键工艺，其质量的好坏将直接影响到凸点的质 量、倒装焊接的成功率和封装后凸点的可靠性。u b m 通常采用电子束蒸镀或者溅射 工艺，将金属膜布满在整个器件表面 2 7 】。需要制作厚金属膜时，则采用电镀或者化 学镀工艺。 电镀法是本文采用的焊料沉积方式，由表2 - 2 可知，电镀凸点的u b m 通常选用 n w 或者t i 作为粘附和扩散阻挡层，采用c u 作为润湿层。从成本低方面考虑，因 此u b m 层选取t i c u 。厚度按照表2 2 中给定的t i c u ( o 2 0 3 肛1 ) 厚度，制备工艺选 用目前被广泛使用的溅射法。另外为了使在回流时，润湿层不被全部溶解，c u 层必 须增厚，因而采用电镀的方法电沉积一层较厚的c u 层，其厚度一般为5 u m 。 2 2 u b m 溅射 2 ，2 1 溅射实验设备原理 被加速的a r + 获得几十电子伏以上的能量直接轰击靶材表面，使表面原子获得足 以克服表面束缚能，同时具有一定能量进入真空室中沉积到基片表面，这种方式就 叫做溅射。磁控溅射o m a g n c t r o ns p u t t e r t i n g ) 是7 0 年代迅速发展起来的一种“高速低 温溅射技术”。磁控溅射是在阴极靶表面上方形成一个正交电磁场。当溅射产生的二 次电子在阴极位区被加速为高能电子后，并不直接飞向阳极，而是在正交电磁场作 用下作来回振荡的近似摆线的运动，如图2 1 所示。在运动中高能电子不断的与气体 分子发生碰撞，并向后者转移能量，使之电离而本身变为低能电子。这些低能电子 最终沿磁力线漂移到阴极附近的辅助阳极而被吸收，从而避免了高能电子对基板的 强烈轰击，消除了二极溅射中基板被轰击加热和被电子辐照引起损伤的根源，体现 了磁控溅射中基板“低温”的特点。般电子要经过上百米的飞行才能最终被阳极 吸收，而如果气体压力为lo 1 p a ，则电子的平均自由程( 任意二次电子与分子气体碰 撞间的平均距离) 只有l o c m 量级，因此磁控溅射的电离效率很高，易于放电。低工 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = 一= 作电压和高电流密度使溅射速率大大提高，因而磁控溅射还有高速的特点。 = 广t 了与嘣、基片 基片架 溅射粒子 正离千 闽匹恩囡圃 图2 - 1 射频磁控溅射的原理图 2 2 2 溅射设备介绍 本实验使用纯金属靶磁控溅射沉积 i b m 薄膜，与其他方法比较起来具有如下 优点：膜层与基体结合牢固，在大面积基体上可以沉积成分和性能均匀的薄膜，容 易控制薄膜的成分，设备操作简单，自动化程度高，便于实现工业化生产。但是也 有一些缺点，比如：需要根据实验制各不同的靶材，装、卸靶不方便，靶利用率不 高，需要良好的冷却系统，否则靶材容易开裂。本实验所用的装置其真空室和靶材 用冷却水循环冷却，氧气和氩气流量用质量流量计控制，基片温度用热电偶测量， 采用溴钨红外灯加热，从而控制基片温度。一般来说，实验中采用的高频电源频率 已经属于射频氛围，其频率范围为5 3 0 m h z ，本设备采用的射频频率为国际通常 采用的1 3 5 6 m h z ( 为美国联邦通讯委员会( f c c ) 建议的数值) 。本实验所用设备为国 产j p g 4 5 0 磁控溅射台，其主要参数见表2 3 。 表2 - 3j p g - 4 5 0 溅射系统主要技术参数 溅射室尺寸 中4 5 0 x4 0 0 m m 极限压力5x1 0 4 p a 溅射室恢复真空时间 2 0 m i n工作压力1 0 p a 一1 0 1 p a 磁控阴极尺寸 q d 8 6 m m靶材厚度6 8 r n m 溅射功率0 1 0 0 0 w 可调基片架规格0 5 0 xl m m 旋转基片盘转速 5 3 0 r m i n红赡灯温度0 4 0 0 c p i d 调节 基片偏压 5 0 0 v清洗电源电压最高- 1 2 0 0 v 冷却水进水压力2 2 5 1 0 5 p a三相电源参数 3 8 0 v 5 0 1 - i z 1 5 k v a 压缩空气源n 2 ，5 6 x1 0 s p a 溪钨灯2 5 0 w 支 1 7 华中科技大学硕士学位论文 靶材用纯度为9 9 9 9 的氧化粉末按照质量比为1 ：1 的比例进行充分混合，然后 在a r ( 9