（材料学专业论文）snagcu钎料液体润湿和桥接行为的数值模拟研究.pdf

0 i 二。乙j 蠡嚣黧疆谤，、轧簧矿!。i， ， 1，1 ad i s s e r t a t i o ni m a t e r i a l ss c i e 且蔓猃 川f i f f l f f i i | f | f f f i | i i i i f | l f l l i l f f f l f i i | f f 删 y 18 4 15 16 an u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yo nw e t t i n ga n d b r i d g i n go fs n a g c u s o l d e r l i q u i d b yw 觚gd o n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rt o n gw e i p i n g a s s o c i a t er e s e a r c h e rz h a l l gl e i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i 锣 m a r c h2 0 0 8 工1毒j 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚 挚谢意。 学位论文作者签名：量劝 日 期：2 嘲弓7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、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 - 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 ! l 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 t ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： ，砑，j 毒伊，0霸 【l 摹 东北大学硕士学位论文 摘要 s i 认g c u 钎料液体润湿和桥接行为的数值模拟研究 摘要 随着表面贴装技术( s m d 和球栅阵列( b g a ) 技术的发展，特别是细间距技术的广泛 应用，集成电路( i c ) 输入输出端口( i o ) 的尺寸与间距不断减小，封装密度也越来越高。 钎料桥接已成为高密度封装中危害最大、发生率较高的焊点缺陷。印刷电路板 c b ) 上 焊盘图形的位置配准是影响焊点缺陷的关键因素，优化的焊盘和钎料的几何构型是制造 工艺可靠性的保证。阻焊层( s o l d 髓m a s k ) 在回流焊接工艺期间起到阻止钎料入侵和防止 桥接的作用，它的润湿特性对于控制高密度封装中的焊接缺陷越来越重要。这些因素凸 现出研究钎料液体润湿形态控制问题的重要性。 针对上述问题，本论文采用有限元数值分析软件s l l r f i 犯ee v o l v e r 计算模拟了s n a g c u 钎料液体在由焊盘和阻焊层所组成的多种基底结构上的润湿行为，研究内容和主要结果 包括以下三方面： 1 模拟了s i a g c u 钎料液体在不润湿线上去润湿的行为及最终形状，研究了钎料桥 接机理。通过模拟，找出了钎料液体能够被分割时临界高度月c 与不润湿线宽度嘲关系。 模拟结果与先前的实验结果基本吻合，也符合理论模型的分析。这些结果反映了微电子 互连中桥接发生的本质。 2 模拟了s i a g c u 钎料液体在不润湿圆上去润湿的行为及最终形状，发现钎料的高 度小于临界高度时才能发生去润湿。通过模拟，找出了不润湿圆的直径与临界高度的关 系，与先前的实验结果能较好地吻合。 3 模拟了s i 啦c u 钎料液体在4 4 润湿阵列结构上的去润湿过程，理论上提出并初 步模拟了用结构化的不均匀基底上的润湿与去润湿分割和控制钎料形状的方法，探索了 用该方法制作钎料凸点的可能性。 对钎料液体在不均匀基底上润湿和桥接行为的研究，有助于揭示锡钎焊连接密度的 极限，对新的高密度互连技术的提出有一定的价值，对推动电子产品的小型化、微型化 有重要意义。 关键词：微电子互连；s i a g c u ；桥接；润湿；去润湿；s u r ee v o l v c r ； 毒 i 謦 矗 ，k。；冀 t fi 摹 东北大学硕士学位论文 an u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yo f w e t t i n g a n d b r i d g i n go fs n a g c u s o l d e rl i q u i d a l b s t r a c t w 曲t l l ed e v e l o p m e n to fs m t 锄db g a t e c h n 0 1 0 9 y e s p e c i a l l ym e6 n ep i t c ht e c b n o l o g y ， m es 妇a n dp i t c ho fi o0 fi ch a v eb e e nd e c r e a s i n gc o n s t a n t l y s o l d e rm d g eb e t w e 饥 a 西a c e mp a d si so n co ft h em o s tc o i m n o na n dc r i t i c a ld e f e c ti nm eh i 9 1 ld e i l s 毋弱s 伽小1 y p r o c e s s t h ea r r a n g e m e n ta n ds i z co fs o l d e rp a d so np c b b e c o i n e sm o r e 雒l dm o r ei r i l p o r t a n t f o rn l er e l i a b i l 毋o fi cp a c k a g i n g ，a n d0 p 血血e dg e o m e 时o fs o l d e rp a da n ds o l d e r1 i 舢di s t h eg i 】町锄t e eo fm 锄如劬gp f o c e s s s o l d e rm a s kp l a y s 锄i n c r e 嬲i i l g l yc m c i a lr o l ei n c o n 昀l l 硼gs o l d e rd e f e c t sd u 血培f a l 试c a t i o no fl l i g l ld e n s 时p c b ，w l l i c hc 趾b l o c k 圯 d i 如j b u t i o no fs o l d e rh q u i da n da v o i ds o l d e rb r i d g ek i t w e e na 由a c e mp a d sd l l r 证gr e n o w p r o c e s s s oi ti so fg r e a ti i l l p o 舭e t oc o 棚曲j d yo fm o r p h o l o g yc o n t r 0 1f o rm ew e 优i n go f 也es o l d e rl i q u i d mt h i sp 印e r ，m l i i l e 】沁a ls i m u l a t i o nt e c l l l l o l o g yb ym e 龇塔o fu s i n gf 珊e l e m e n ta n a l y s i s s o f h a r e ，s u r f a c ee v 0 1 v e r ，i sa p p l i e dt o 咖d y 血ew 酬曲gb e h a v i o ro fs i l a g c us o l d e rl i q u i d o ns 帆l c t l 】r e ds u r f 如ec o n s i s t i n go fs o l d e rp a d 雒l ds o l d e rm a s k t h e r ea r en l r e em 匈o r 硼p e c t s e x p l o r e d ： 1 t h ed e w e t t i n gp c e s so ns u b s t r a t ew i m 1 1 0 n 、c i 位i i l gl i r l ea n de q u i l i b r i 眦i n o r p h o l o g y o fs n a g c us o l d e rl i 舢di ss 砌删b 邪e d0 n 恤s i m u l a t i o 玛m em e c h a i l i s mo fm es o l d e r m d g ei sp r o p o s e d w 1 1 a t sm o r e ，m er e l a t i o n s l 卸b e 铆e e n 西t i c a lh e i g h to ft h es o l d e rl i q u i d 届：锄dt 1 1 e 丽d mo f n 0 删i n gl i n e 形i sp r o p o s e db a s e do n 仕屺s i i i l u l a 舶nr e 刚讹c hi s c 伽叩疵b l e 埘t 1 1t h ee x p e r i m e n td a t aa 1 1 dp r e v i o u s l yp r o p o s e dn l e o r e t i c a lm o d e l a l li na l l ， t h e r e s u n sg a v eac l e a rl l i n to nt h eo r i g i no fs o l d e rb r i d g e 2 t h ed e w 甜i i l gp r o c e s so ns u b s 仃a t e 谢t l ln o n 、税t t i i 培r o u l l dr e g i o na n de q u i l i b r i 啪 m 0 咄o l o g yo fs n a g c us o l d e rl i 叫di ss i i n u l 删硒w e l l o u ri i l v e s t i g a t i o ns h o w s 虹l a ：t 也e d e w e 咖go fs o l d e r1 i q u i do ns u c hr e 西o nd 印e n d so nw h e 也e r 舭h e i g h to fs o l d e rl i 叫di s s m a l l e r 也a nm ec 觚c a lh e i g h to fs 0 1 d e r a t 恤s a i n e 劬e ，l er e l a t i o n s l l i pb e 佩r e e nt l l e m d i 啪o fr 0 衄dr e g i o n 觚dt 1 1 ec 嘶c a lh e i g h tt 0d e w e 仕i i 唱i sd 耐v e db 嬲e do ns i i i m l a t i o n r e s u l t s ，w h i c hc 趾a l s ob e 、吧r i f i e db yp r e v i o u se x p e r i l n e m a lr e s u l t s 3 md e 、删堍o f 纰s i a g c us o l d e rl i 叫do ns 仇l c 删鲫r f 狐w i 也4 4p a d 鲫哪i s s t u d i e db ys i i i l u l a t i o n an e wm 础o dt 0f 址洒c a 眙s o l d e rb u m pb yw 默t i i 培觚dd e w e t t i l l go n s i t u c l 腑di i l l l o m o g e n e o u s 蜘】r f i a c ei sp r o p o s e da n ds i l n u l a t e d i 东北大学硕士学位论文 t h e s er e s e a r c h e s0 nm o r p h o l o g yc o n 们la n dm d g i n go fs o l d e rl i q u i do np a t t e m e d s u b s 的t ei sn o t o i l l yh e l p 觚t 0r e 、，e a l 也el i 血僦o no ft 1 1 el l i 曲e s tc 0 i m e c t i o nd e i l s 畋b u ta l s o v a l u a b l ef o r 也ed e v e l o p m e n to fn e wh i g h - d e 璐i 够髂s e n l b l yt e c h i l i q u e s ni so f g r e a t s i g m f i c a n c ei n 也em i n j a t 眦i z a t i o no fe l e c 协o i l i cp r o d l l c t sm l dd 启析c e s k e yw o r d s ：i n t e r c o 肌e c t i o no fm i c r o e l e 咖o i l i c ；s n a g c u ；s o l d e r 嘶d g e ；砒艏n g ；d e 、 ，e t t i n g ； s u r 矗l c ee v o l v e ， e _ 。 警 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要 a b s t r a c t 。i 第一章绪论。1 1 1 电子封装的定义及功能1 1 2 微互连技术3 1 2 1 微互连技术的发展3 1 2 2 倒装芯片技术4 1 2 3 表面贴装技术及常见缺陷8 1 3 微互连技术中的润湿行为1 0 1 4 润湿的研究现状lo 1 4 1 润湿的定义及发生条件10 1 4 2 润湿的分类。11 1 4 3 润湿中的基本概念11 1 4 4 受限润湿。1 4 1 5 焊点形态及桥接研究现状15 1 6 本文的研究意义及内容16 第二章钎料液体润湿模型的建立与计算方法1 9 2 1 模型建立的假设条件1 9 2 2 模型建立的理论基础1 9 2 3 力学模型与能量控制方程2 0 2 3 1 重力及重力势能2 0 2 3 2 表面张力及表面势能2 1 2 3 3 固液界面及及其能量2 1 2 4 建立研究对象的数值模型2 3 v 东北大学硕士学位论文 一_ _ i _ i _ 目录 2 4 1 软件简介2 3 2 4 2 初始网格的划分2 3 2 4 3 约束条件的描述。2 4 2 4 4 基本物理参数2 7 2 4 5 数值模拟的计算过程2 7 2 5 计算模拟中存在的问题及解决方法2 9 2 6 润湿二维模型模拟结果与理论分析的对比。3 2 2 7 本章小结3 5 第三章s n a g c u 钎料液体在c u 基底上润湿的模拟3 7 3 1 引言3 7 3 2 模拟实验3 7 3 3 本章小结4 0 第四章s i a g c u 钎料液体在不润湿线上去润湿的模拟4 1 4 1 引言：4 1 4 2 液体的去润湿现象4 1 4 3 不润湿线上去润湿的模拟4 2 4 4 实验验证，4 4 4 5 桥接机理讨论4 5 4 6 结果与讨论4 7 4 6 1 不润湿线宽度的影响4 9 4 6 2 润湿区域大小的影响4 9 4 7 十字不润湿线上去润湿的模拟5 0 4 8 本章小结5 4 第五章s i a g c u 钎料液体在不润湿圆上去润湿的模拟5 5 5 1 引言5 5 5 2 不润湿圆上去润湿的模拟5 5 5 3 实验验证5 6 5 4 结果与讨论。5 7 5 4 1 不润湿圆直径的影响5 9 ， 奎! ! 奎堂堡主兰垡丝茎 旦茎 5 4 2 润湿区域大小的影响6 0 5 5 本章小结6 0 第六章用不均匀基底上的润湿制作凸点初探“1 6 1 引言6 1 6 2 理论分析6 1 6 3 结构化不均匀基底上润湿的模拟6 3 6 4 本章小节6 4 第七章结论6 5 参考文献6 7 致谢7 l v 毒 ，| l 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 t “ 1 1 电子封装的定义及功能 自从2 0 世纪6 0 年代第一块集成电路( i c ) 问世以来，伴随着电子技术的飞速发展， 电子封装( e l e c 臼0 n i c sp k a g 埘在集成电路生产中扮演着越来越重要的角色。按目前国 际上流行的看法认为，在微电子器件的总体成本中，设计占了三分之一，芯片生产占了 三分之一，而封装测试也占了三分之一。电子封装技术在蓬勃发展中，越来越受到人们 的重视。 电子封装是指赋予集成电路中芯片一个与之相适应的外壳，使其能够发挥稳定的功 能。它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电器性能的作用，而且还是沟通芯 片内部世界与外部电路的桥梁。芯片通过导线连接到封装外壳的引脚，这些引脚又通过 印制板上的导线与其他器件建立连接。以半导体集成电路为核心的微电子技术的发展对 电子封装技术提出了更高、更苛刻的要求，从而促进了电子封装技术不断进步；另一方 面，先进的电子封装技术反过来推动电子整机和集成电路技术及封装材料向更高水平发 展。因此，封装对于集成电路来说起着非常重要的作用。 狭义的电子封装可以定义为：利用膜技术及微细连接技术将半导体元器件及其它构 成要素在框架或基板上布置、固定及连接，引出接线端子，并通过可塑性绝缘介质灌封 固定，构成完整的立体结构的工艺。广义的电子封装工程是指将半导体和电子元器件所 具有的电子的、物理的功能，转变为适应于设备或系统的性能，并使之为人类社会服务 的科学与技术【1 1 。 对于大规模集成电路和超大规模集成电路而言，其封装可以分为四个层次，如图1 1 所示【2 】。 ( 1 ) 零级封装：芯片制造。 ( 2 ) 一级封装：将芯片封装成单芯片组件s c m ( s i n g l ec l l i pm o d u l e ) 和多芯片组件 m c m ( m u l t ic l l i pm o d l l l e ) 。 ( 3 ) 二级封装：是指将电子元器件( 包括已封装的芯片) 实装在印制线路板( p c b ) 或其他基板上。其主要钎焊方法包括通孔插装技术、表面贴装技术、芯片直接安装技术。 ( 4 ) 三级封装：子系统的组装，将二级封装好的的板或卡搭载在电路板上，构成 东北大学硕士学位论文第一章绪论 单元组件。 ( 5 ) 四级封装：整机电子系统如电子计算机等的组装。 图1 1 电子封装中的前三级封装【2 】 f i g 1 11 1 l ef i r s tt l l 陀el e v e l so fe l e c 仃o i l i cp l 【a g i n g 从材料上讲，电子封装涉及多种材料，例如金属框架、焊剂焊料、金属超细粉、金 属浆料、有机粘接剂、有机溶剂，感光性树脂、热固性树脂，还有导体、电阻、介质及 各种功能用的薄膜厚膜材料等；从工艺上讲，电子封装包括薄厚膜技术、微互连技术、 基板技术、封接与封装技术等四大基础技术，以及由此派生出各种各样的工艺问题。 电子封装技术的发展是伴随着集成电路工业的发展和成熟而发展的。在集成电路工 业的早期，封装技术并未能受到足够的重视，被认为是次要的技术。但是，随着集成电 路工业的迅猛发展，不仅整个半导体工业成为当今第一大产业，而且，半导体技术已经 渗透到各个工业及社会生活领域，如消费电子、计算机、汽车电子、通讯领域等。此时， 封装技术的发展己成为影响集成电路技术发展和应用的瓶颈问题。近年来对于封装技术 的研究引起了科研及产业界的高度重视。总的来说，影响集成电路封装工艺发展的因素 主要有：集成电路芯片的i o 数、封装的可靠性、成本和系统性能等。而封装技术的发 展趋势正是为了适应以上的要求而向着高封装密度、高可靠性和低成本要求发展。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 微互连技术 在电子封装工程的四大基础技术，即薄厚膜技术、微互连技术、基板技术、封接与 封装技术中，微互连技术起着承上启下的作用。无论是芯片装载在载体上，还是封装体 实装在基板上，都要用到微互连技术。可以说，微互连技术是电子封装中的基础技术和 专有技术网。 1 2 1 微互连技术的发展 几十年来，微电子技术一直伴随着i c 的发展而前进，一代i c ，就有相对应的一代 电子封装相配合，而表面贴装技术( s m t ) 的发展，更加促进电子封装技术不断达到新的 水平。 2 0 世界6 0 年代、7 0 年代，中小规模i c 曾大量采用i o 数目为数个引脚的t o 封装， 后来发展成为这个时期的主导封装产品双列直插式封装( d i p ) ；8 0 年代出现了s m t ， 相应的i c 封装形式发展为适合表面贴装的短引线或无引线s m t 结构，如四方扁平封装 ( q f p ) 、塑料扁平封装( p q f p ) ，不但解决了较高i o 的大规模集成电路( l s i ) 的封装问题， 而且适合于使用表面贴装元件( s m d ) 在p c b 或其它基板上进行表面贴装。随着电子产品 进一步小型化、微型化，9 0 年代出现了许多新型的封装技术和封装形式，这些新技术大 多采用面阵输出端，封装密度大为提高。其中最具代表性的是球栅阵列( b g a ) 、倒装芯 片( n i pc h i p ) 和多芯片组件( m c m ) 等技术。近年来出现的芯片尺寸封装( c s p ) 、s o p ( s y s t e m o np a c l 【a g e ) 、s o c ( s y s t e mo nc l l i p ) 等技术标志着电子封装技术发展的进一步飞跃。 由图1 2 可以比较清晰的看出封装体发展的过程，首先是一维空间内的变化，输出 引脚从两列变成四列，接着由一维向二维平面的变化，四周边缘的引脚发展到平面的局 部阵列和全阵列。然后使由二维平面向三维空间的发展，即由单一平面向多面堆叠转变。 这是一个由线发展到平面，由平面发展到空间的过程，体现了人们设法在更小的空间内 追求更大i o 数的指导思想。 在封装形式发展的同时，在微互连端子窄节距化方面也不断取得进展。例如，采用 特殊a u 丝的w b ( w hb 0 n d i l l g ) 方式及t a b ( 1 a p e a u t o m a t e db o n d i n g ) 方式已经能做到端 子节距为4 0 7 0 m 的微互连。但是，1 = a b 及w b 方式必须在半导体集成电路元件的周 边部位布置内侧接线端子( i l b ) 凸点，这很难适应多端子化的要求。对于近些年来出现的 东北大学硕士学位论文第一章绪论 协a 事伪蝴翰惜脚酾黼硒幽瞄呦翩蝴* 翻激翻黼i 略 图1 2 封装元件的发展过程【3 】 f 培1 2n e e v o 蜥o n0 f p a 凼唔e 倒n p o n 铷晦 超高速、超高频器件的封装，要求微互连的引线间距要尽量短，以减小信号延迟及分布 电路参数的影响，而w b 方式中的a u 丝或舢丝，1 = a b 方式中的引脚就显得过长，迫 切希望采用高可靠性、无引线、无引脚，具有最短连接距离的微互连技术。 1 2 2 倒装芯片技术 随着i c 特征尺寸的不断减小以及集成度的不断提高，传统的四边引线扁平封装的 引脚间距已经达到极限( 0 3 i i u l l ) ，为了满足电子工业尺寸微型化和小型化的发展趋势， 各种新型的封装形式和封装技术不断涌现出来，其中倒装芯片技术( n i pc 1 1 i p ) 在电子封装 中因其生产效率高、可靠性好、封装面积小、电气性能优良等特点而得到广泛地采用， 并成为新一代晶圆级封装的主流技术【4 】。晶圆级的倒装芯片互连是一种超高密度封装技 术，它通过裸晶片上的面阵列i o 微凸点与基板进行互连，从而使得i c 封装具备超细 间距等特点。 倒装芯片凸点互连结构包括三个部分：微凸点下的金属化层( l m m ) 、微凸点球( b m n p ) 和基板互连微焊盘( b o n dp 锄。而在集成晶片在c u 焊盘上形成的u b m 通常有三层结构： 人 参一一尊置盘藿曩警葛星隹c o善铀墨辨嚣鬈篡 东北大学硕士学位论文第一章绪论 扩散阻挡；皓附层、润湿层、抗氧化层。在u b m 上形成的焊料合金微凸点将与对应在基 片上的镀有n 似u 的铜焊盘键合形成互连焊点。图1 3 给出的就是一个典型的倒装芯片 。 互连焊点的结构示意图。 图1 3 倒装芯片互连结构【4 】 f 谵1 3i n t e f c o 彻e c t i o ns 1 t t l c t u i co ff l i pc h i p 1 2 2 1 倒装芯片技术工艺步骤 倒装芯片的主要的工艺步骤包括【5 】：底部金属层n d e rb 硼叩m e t a l l u r g y u b m ) 沉 积、凸点制作( b 删叩i l l 酚、互连( i n t i 玳o n n e c t i o n ) 、底部填充m l d e r f i l l i n g ) 和固化( c 砒m g ) 。 其中凸点制作是其核心技术。 1 2 2 2 凸点制作技术 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。 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 叩舡o l l e dc o l l a p s ec 1 1 i pc o n n e c t i o n ) 技术。蒸镀过程如图1 4 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。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 光掩膜蒸镀凸点：是上一种的变种，光掩膜蒸镀过程如图1 5 所示，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。 广r 1r e 叁! 生当匕兰兰兰兰马 图1 4 蒸镀法嗍图1 5 光掩膜蒸镀法【5 1 f i g 1 4e v 印。枷0 n 吐l | 0 u g hm a s k ( c 4 ) p r o c e s sf 遮1 5e v 印o r a t i o nw 讹t h i c kp h o t o 佗s i s tp r o c e s s ( 3 ) 印刷焊料凸点：模板印刷方式制备流程如图1 6 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。 垒二! 二! 图1 6 印刷焊料法【5 】 f i g 1 6s c r e e np r i n t i n gp r o c e s s ( 4 ) 钉头凸点：其工艺过程如图1 7 所示。用于钉头凸点的材料一般是金，所以该 凸点类型是无铅的。其特征有：最小球的直径可以达到4 5 岬( 三倍于金线的直径) 、最 小间距可以达到7 0 岬、不需要u b m 、可以用于单i c 的封装、不能自对准、成本低， 产能不大。 - 6 ， 耋一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 5 ) 电镀焊料凸点：t e x 勰i i l s 砸删e n t s 、m o t o r 0 1 a 和n a t i o n ms e m i c o n d u c “”等公司 在凸点内部采用微c u 球技术。过程如图1 8 所示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 岬，凸点高度可以达到3 0 7 5 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。 昌垒 图1 8 电镀法闭 f 追1 8e l e c 臼0 p l a t i n gp r o c e s s 图1 9 化学镀法f 5 】 f 喀1 9e l e 咖p l a t i n gp r o c e 豁 ( 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 犰札( 无铅) ， 最小间距可以达到7 5 岫1 ，凸点直径可以达到4 0 蝉l ，凸点高度可以小到5 3 0 p m 。 ( 7 ) 导电聚合物凸点：这是一种全新的凸点技术，最小凸点尺寸可以达到1 0 0 岬， 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：另一种用各向异性连接的n i pc l l i p 结构。 表1 1 各种凸点制作方法凸点间距的对比 i a b l e1 1t h ec o m p a r i s o no fs o l d e rp i t c ho fv a r i o u ss o l d e rb u m pt e c h n o l o g i e s 工艺金属掩膜光掩膜蒸印刷焊料钉头法电镀焊料化学镀焊导电聚合 蒸镀镀法法法料法物法 凸点间距 2 0 0 “m 2 0 0 p m = 2 0 0 “m7 0 p m 4 0 m7 5 “m 1 0 0 “m 1 2 2 3 已有的凸点制备方法面临的挑战 根据2 0 0 7 年国际半导体技术蓝图网的预测，芯片上的凸点间距在2 0 1 0 年应达到 垒 一 垒 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 9 0 p m ，虽然目前m m 已经成功加工出了1 0 0 岬和5 0 m 凸点间距的芯片【刀，但是成本 非常高，离大规模生产应用尚有一定距离。所以，研究新的凸点制作方法是电子封装领 域的研究人员急需解决的课题。 ， 1 2 3 表面贴装技术及常见缺陷 表面贴装技术( s m t ) 是指将片式化、微型化的无引线或短引线的片状元器件直接贴、 焊到印刷电路板表面规定位置上的一种电子封装技术【8 1 。表面组装技术已逐渐成为电子 封装技术的主流趋势。 电子封装过程中，通孔元件一般采用波峰焊接方法；而表面贴装件则主要采用再流焊 方法。所谓再流焊( 亦称回流焊) 就是通过加热使预置的钎料膏或钎料凸点重新熔化即 再次流动，润湿金属焊盘表面并形成牢固连接的过程【9 】。 在再流焊条件下，s m t 焊点的形成过程可主要分为如下几个阶段【1 0 】： ( 1 ) 在焊盘上印制一定数量和具有一定形状的钎料膏，并在相应的位置贴上芯片； ( 2 ) 加热熔化预先印制的钎料膏； ( 3 ) 熔融钎料在表面张力，重力等的作用下，在焊盘表面和引线的金属端润湿铺 展，并最终达到平衡状态。与此同时，熔融钎料原子与被焊金属原子在界面处相互扩散 形成合金化层； ( 4 ) 熔融钎料冷却凝固，得到具有一定几何外观的焊点。 ： 随着电子元器件体积的不断缩小以及电路板上组装密度越来越高，对表面贴装焊点 的焊接质量提出了更高的要求，焊点的焊接缺陷将会直接影响到印制电路组件乃至整机 的质量。 表面贴装再流焊过程中常见以下缺陷1 2 】 ( 1 ) 润湿不良 润湿不良是指焊接过程中焊料和基板焊区，经浸润后不生成金属间的反应，而造成 漏焊或少焊故障。其原因大多是焊区表面受到污染，或沾上阻焊剂，或是被接合物表面 生成金属化合物层。例如银的表面有硫化物，锡的表面有氧化物等都会产生润湿不良。 另外，焊料中残留的铝、锌、镉等超过o 0 0 5 时，由于焊剂吸湿作用使活性程度降低， 也可发生润湿不良。波峰焊接中，如有气体存在于基板表面，也易发生这一故障。因此 除了要执行合适的焊接工艺外，对基板表面和元件表面要做好防污措施，选择合适的焊 料，并设定合理的焊接温度与时间。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 桥接 桥接又称连桥或连锡，它是指元件端头之间、元器件相邻的焊点之间以及焊点与邻 近的导线、过孔等电气上不该连接的部位被焊锡连接在一起，引起短路的现象。桥接经 常出现在细间距元器件引脚间或间距较小的片式元件间，这种缺陷属于重大不良，会严 重影响产品的电气性能，所以必须要加以根除。其发生原因，大多是焊料过量或焊料印 刷后严重塌边，或是基板焊区尺寸不合理，以及元器件贴装偏移等引起的。图1 1 0 为典 型的桥接缺陷照片。 图1 1 0 桥接缺陷照片【1 1 1 f 谵1 1 0p h o t o so f s o j d e r 嘶d g ed e f e c t ( 3 ) 焊料球 焊料球是再流焊接中经常碰到的焊接缺陷，焊料球的产生意味着产品出厂后存在着 短路的可能性，因此必须去除：一般在矩形片式元件两焊端之间的侧面或细间距引脚之 间常常出现焊料球。在贴装元件过程中，焊膏是预涂在p c b 板的焊盘与元器件引脚( 焊 端) 之间的。再流焊时焊膏熔化成液态，如果与焊盘和元器件引脚( 焊端) 等有良好的 润湿，则液态焊料不会收缩并填满焊缝。否则，润湿很差，液态焊料会因收缩而使焊缝 填充不充分，部分液态焊料会从焊缝流出，在接合点外部形成焊料球。 ( 4 ) 竖碑 竖碑是指无引线元件的一端离开了衬底，甚至整个元件都支在它的一端上的现象， 人们形象地称之为“立碑”现象，也有人称之为“曼哈顿”现象。“竖碑刀现象的产生 主要是由于元件两端焊盘上的焊膏在再流焊过程中熔化时，不是同时熔化，导致元件两 个焊端产生的表面张力不平衡，张力较大的一端拉着元件沿其底部旋转造成的。 由上可见，表面贴装技术容易出现的缺陷大多与润湿有关。 o 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 微互连技术中的润湿行为 钎焊是电子封装中主要的连接方法，它是将母材料( 如半导体材料、电极金属化材 料及内和外线材料等) 与熔点比母材低的钎料( 如s l l p b 、s i 认g c u 等) 一同加热，在母 材料不熔化的情况下，钎料熔融并润湿及填满两母材料连接处的间隙，形成钎缝。在钎 缝中，钎料与母材料相互浸润和扩散，得到牢固的连接【9 】。钎焊与其它焊接方法的不同 主要是在于，熔融的钎料是在毛细管力的作用下填充接头的间隙。可见，润湿是钎焊的 前提条件，润湿性能的好坏直接影响熔钎料在焊盘及引线表面的铺展情况，对能否形成 良好的钎焊焊点有重要影响【1 3 】。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 滴后因铺开而取代了部分固气界面，产生了新的液固界面，这一过程称之为润湿过程 ( w 眦i n 曲。若液滴在固体表面上不铺开，而仍保持液滴形状，即固体不被液体润湿，也 叫不润湿或者非润湿【1 5 l 。用热力学观点看，当固体和液体接触后，体系表面自由能降低 的现象叫润湿，自由能降低越多，润湿程度愈大。 ， 液体对固体的润湿程度由接触角p 的大小来表征【1 6 】。润湿程度与接触角有密切的关 系。液体在固体表面的润湿可以分为三种情况：当9 0 0 口51 8 0 0 时，称为不润湿；当o o p 9 0 0 时，称为部分润湿；当p = o o 时，称为完全润湿。图1 1 1 为三种不同润湿情况。 卓伞丢 图1 1 l 液体润湿行为：( a ) 不润湿：( b ) 部分润湿；( c ) 完全润湿 f 逗1 1 1q i i a l i t a t i v ep o n r a y a l0 f w 叭i n g ：( a ) n o n w e t t i n g ；( b ) p 枷a lw e n i n g ；( c ) p e 疵c tw e n i n g 囫固相圆液相 1 4 2 润湿的分类 根据在润湿过程中液体与基体之间是否存在界面反应可以将润湿划分成非反应润 湿( 物理润湿) 和反应润湿两大类。 ( 1 ) 非反应润湿是指在液体在固体表面铺展时并不发生化学反应的润湿行为，润 湿的驱动力主要是固液界面上的范德华力。对一个理想光滑的平面，其平衡状态可以用 杨氏方程进行描述： 九矿c o s 汐= 以矿一尥 ( 1 1 ) 此公式在1 4 3 ( 二) 中有详细介绍。 ( 2 ) 液体在固体表面铺展的同时伴随化学反应或化学物质在不同相中扩散的行为 称为反应润湿。化合物的形成对润湿有很大的影响，有时甚至完全改变体系的润湿性能。 1 4 3 润湿中的基本概念 ( 一) 表面张力 表面张力是指单位面积的表面自由能，它是液体本身的物理性质。将液体置于固体 东北大学硕士学位论文第一章绪论 表面上时，其平衡的形状取决于固体表面能、液体表面能以及固液界面能之间的平衡关 系。表面能诱导表面面积趋向最小化，达到平衡时总界面能最小。用m 表示固相( s ) 与 气相) 之间的表面自由能，舰表示固相( s ) 与液相( l ) 之间的表面自由能，扎滚示液相( l ) 与气相之间的表面自由能。表面能微元随面积a 的变化可写成如下【1 7 1 ： d ( ，彳) = y 幽+ 4 办( 1 2 ) ( 二) 接触角 接触角也叫润湿角，是指在气、固、液三相交界处，液体表面张力，液固界面张力 之间的夹角。接触角的大小是由气、固、液三相交界处，三种界面张力的相对大小决定， 是评定液体对固体润湿程度好坏的主要指标之一。它分为静态接触角以(