Cu-Sn-Cu互连微凸点热压键合研究

张潇睿

（中国民用航空飞行学院航空工程学院，四川广汉 618307)

1 引言

在微电子封装领域中，互连技术是其中的核心步骤，包括外引线互连和内引线互连[1]，芯片互连技术直接影响封装成品的生产效率、生产成本以及其可靠性。在实际生产中，由互连技术所带来封装器件的失效占比达到25%～33%[2]。芯片互连技术包括引线键合、载带自动焊以及倒装焊；随着微电子封装朝着更小尺寸、更高集成度和更优异性能方向的发展，基于硅通孔技术的三维集成封装出现在封装行业中。而在目前的实际生产中，市场占比最多、应用最为广泛的当属倒装芯片键合技术[3]。

倒装键合是一种在芯片和基底之间采用微凸点进行互连的小型化、高集成密度的封装技术[4]。相对于传统的引线键合技术，倒装键合互连路径更短，综合性能更高[5-6]。倒装键合焊接面积与芯片面积大小一致，其封装密度很高，实际生产中基本达到了75%以上，具有良好的电气性能、更强的信号分配能力以及更低的能耗，更加适合于高频、高速的电子产品应用[7-9]。

倒装芯片的互连方式主要有3类，包括热超声、回流焊和热压。热压键合方式需要对准时有良好的精度，针对不一样的凸点尺寸、凸点材料，需要选用对应的温度、键合压力及键合时间。随着微铜柱凸点逐渐成为倒装芯片封装的主流[10]，热压键合技术也日益成熟，成为工业生产和学术研究中的重点问题。

2 Cu-Sn-Cu微凸点倒装芯片及键合平台

随着倒装芯片的尺寸日益减小，凸点尺寸、间距也随之减小，针对一款Cu-Sn-Cu互连微凸点倒装芯片进行键合，该芯片凸点结构如图1所示。

图1 芯片凸点设计图

芯片凸点为微铜柱凸点，上芯片和基底芯片铜柱直径100μm，上芯片铜柱高度45μm，基底芯片铜柱高度15μm，上芯片铜柱上生长一个直径为100μm的Sn帽。芯片实物如图2所示。

图2 芯片实物

键合平台采用日本Athlete公司的CB-600低荷重半自动倒装键合机，该键合平台可以实现热压键合和热超声键合，两种键合方式的转换通过更换键合头和键合菜单完成，本文实验选用热压键合方式。芯片键合流程如图3所示。

图3 芯片键合流程

3 不同键合条件下的键合特性

影响热压键合结果的参数主要有3个：键合力、键合时间以及键合温度。不同尺寸和材料的凸点所需要的键合参数并不相同，通过键合机对键合参数进行调整，找到最佳的键合参数以提高芯片键合质量。

实验用芯片每块共54个微凸点，以每个微凸点0.01 N计算，键合力分别设定为0.54 N、1.08 N、2.16 N、3.24 N和4.32 N；Sn的熔点为232℃，键合温度初步设定为240℃；键合时间分别设定为5 s、10 s、20 s、30 s。通过初步试验，根据键合后互连结构是否稳定、通路是否导通，选择合适的键合参数。

当键合温度为240℃时，各键合参数下均无法形成稳定互连的样品；经测量，这是由于键合头通过陶瓷冶具键合时，键合部位温度相较于键合头设定温度会有80℃左右的下降，并且考虑到一系列的传热损耗，将键合温度选定为340℃。在340℃条件下，当键合力为0.54 N时，在各键合条件下均无法形成稳定的互连结构，上芯片和基底芯片直接分离；当键合力为1.08 N时，部分样品直接分离，部分未分离样品经测试，通路均无法导通；当键合力达到2.16 N时能形成基本稳定并且通路导通的互连结构。

在键合时间为30 s和键合温度为340℃的条件下，分别采用不同的键合力得到了3个样品，键合样品所有通路均导通，且每条通路电阻均处于正常范围。对样品封样、研磨后观察其凸点截面，3种不同键合力下样品截面形貌如图4所示。

从图4可以看到，当键合力为2.16 N和3.24 N时，键合界面处存在较清晰的缝隙，Sn帽局部与基底芯片铜柱接触形成通路，但该情况下互连结构并不稳定。当键合力达到4.32 N时，可以明显看到Cu/Sn界面处结合紧密，Sn帽微微向两侧溢出，键合效果良好。当键合力继续提高到4.86 N时，微凸点截面如图5所示。

图4 不同键合力样品凸点截面

图5 键合力4.86 N时凸点截面

可以看到当键合力达到4.86 N时，Sn层被压缩到很薄，而当芯片在工作中承受较大电流密度负载时，过薄的Sn层更容易在电迁移作用下出现缺陷，从而导致产品失效风险提高。因此过高的键合力反而会导致产品可靠性降低。

当键合参数为4.32 N和340℃时，在不同的键合时间下进行键合。利用带数据采集功能的恒压电源，对键合过程中芯片其中一条通路进行电特性变化的记录，观察不同键合时间对芯片电特性的影响。设定输出电压为0.1 V，不同键合时间下芯片通路电特性变化曲线如图6所示。

图6 不同键合时间下芯片通路电特性变化曲线

从图6中可以看到，不同键合时间下，键合过程中通路的电阻变化过程是一致的，整个键合过程一共经历了3次台阶式的下降，图中第一个平缓段是键合开始并保持在键合温度340℃的阶段；曲线下降到第二个平缓段是由于键合温度开始逐步下降；当键合温度下降至100℃，键合头离开芯片，此时芯片温度降低，造成曲线下降至第三个平缓段。测得最终电阻为1Ω，样品恢复室温后电阻降至0.6Ω左右。

对以上4种不同键合时间下的样品封样进行研磨，其截面形貌如图7所示。

图7 不同键合时间下凸点截面形貌

从图7可以看到，当键合时间分别为5 s、10 s、20 s时，Cu/Sn键合界面处存在缝隙，接触不完全，键合界面质量较差。当键合时间为30 s时，Cu/Sn键合界面处结合相当紧密，键合质量良好。

针对该款芯片，键合质量较好的参数为键合力4.32 N、键合温度340℃、键合时间30 s。该键合条件下，键合过程数据如图8所示。

图8 键合过程数据

图8展示了键合过程中键合力以及键合温度的加载方式，整个键合过程键合力大小保证在4.32 N，温度保证在340℃。键合头的位移表明了Sn帽在键合过程中变形，与基底芯片铜柱形成稳定的互连结构。

4 键合强度分析

对不同键合条件下的样品利用拉剪力测试机进行剪切测试，抗剪切力的大小表示其键合强度。针对3组不同键合力2.16 N、3.24 N、4.32 N，每组选取5个样品进行测试，测试剪切速度均设置为500μm/s。不同键合力条件下芯片的抗剪切力曲线如图9所示。芯片最大抗剪切力曲线如图10所示。

从图9可以看到，在340℃、30 s的键合条件下，当键合力为2.16 N时，芯片最大抗剪切力大小为500 g左右；当键合力为3.24 N时，芯片最大抗剪切力大小为700 g左右；当键合力为4.32 N时，芯片最大抗剪切力大小为1000 g左右。从图10可以看到随着键合力的增加，芯片抗剪切力随之增加。通过抗剪切力大小的定量比较，充分说明不同的键合参数对于芯片的键合质量有着显著影响。

图9 不同键合力条件下芯片的抗剪切力曲线

图10 不同键合力条件下键合样品最大抗剪切力曲线

5 结论

文章针对一款Cu-Sn-Cu倒装芯片，在不同参数条件下完成了热压键合，通过封样研磨后的凸点截面形貌、键合过程通路电阻变化，比较了不同键合条件下芯片样品的键合质量，并通过拉剪力测试比较了不同键合参数下芯片样品的可靠性，确定了该款芯片的最佳键合参数。同时也证明了在一定范围内，随着键合力和键合时间的增加，芯片键合质量逐渐变好，抗剪切力也随之增加。