楊超偉，閆常善，王瓊芳，李京輝，韓福忠，封遠慶，楊畢春，左大凡，趙 麗，俞見云

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銦凸點對倒裝互連影響的研究

楊超偉1，閆常善2，王瓊芳1，李京輝1，韓福忠1，封遠慶1，楊畢春1，左大凡1，趙 麗1，俞見云1

（1. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2. 中國人民解放軍駐298廠軍代室，云南 昆明 650114）

制作了2種形式的銦凸點：即直接蒸發(fā)沉積的銦柱和將銦柱回流得到的銦球。分別討論了銦柱和銦球?qū)Φ寡b互連的影響，著重討論了銦球和銦柱分別和芯片倒裝互連后的剪切強度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在互連未回流的狀態(tài)下銦球的剪切強度是銦柱的1.5倍，回流后銦球的剪切強度是銦柱的2.8倍。此外，分析討論了長時間放置在空氣中的銦球?qū)Φ寡b互連的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)長時間放置在空氣中的銦球和芯片互連后，器件的電學(xué)與機械連通性能會受到很大的影響。

銦凸點；銦柱；銦球；倒裝互連

0 引言

目前，紅外焦平面探測器已經(jīng)大量應(yīng)用于軍事、工業(yè)、環(huán)境、醫(yī)學(xué)等方面[1-4]，并且隨著科技的進步，人們對大面陣探測器的需求正在不斷增加[5]。然而，伴隨著像元數(shù)目的增加，焦平面和讀出電路的設(shè)計及互連的難度也在不斷增大。傳統(tǒng)金絲引線鍵合技術(shù)暴露出明顯的缺點，例如：互連電阻高、電路過長、封裝尺寸大及互連密度低等缺點。倒裝互連技術(shù)[6]不僅能很好克服上述的缺點，而且其成本低廉，因此得到廣泛的應(yīng)用。

作為紅外焦平面探測器的一種重要的材料，金屬銦具有一些特殊的物理特性，例如：在液氦溫區(qū)下，具有良好的延展性；常溫下具有很好的柔軟性，很容易實現(xiàn)鍵合。具有良好的機械和電氣互連特性，特別適用于紅外探測器低溫工作要求。因此，對于紅外探測器的倒裝互連來說，銦凸點是至關(guān)重要的。

本文制作了2種形式的銦凸點：即直接蒸發(fā)沉積的銦柱和將銦柱回流得到的銦球。分別討論了銦柱和銦球?qū)Φ寡b互連的影響，著重分析對比了銦球和銦柱分別和芯片倒裝互連后的剪切強度。此外，分析討論了長時間放置在空氣中的銦球?qū)Φ寡b互連的影響。

1 實驗

1.1 樣品的制備

銦柱和銦球的制備過程如圖1所示，依次為：光刻UBM孔，UBM沉積，光刻銦柱孔及熱蒸發(fā)沉積銦，剝離得到銦柱，銦柱濕法回流成球[7]。

圖1 銦球制備流程圖

采用SET公司的FC150倒裝焊機對芯片和銦凸點電路進行互連，互連后的樣品利用回流爐進行了回流。此外，本文所涉及倒裝互連均為單邊混成技術(shù)，即芯片一側(cè)沒有銦，芯片上的金屬電極為金屬Au。

1.2 樣品的形貌分析

采用日本的Olympus金相顯微鏡對樣品進行了形貌分析。

1.3 樣品的剪切強度的測試

采用Dage4000拉力測試儀對互連后的樣品進行剪切強度的測試。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 銦柱與銦球?qū)Φ寡b互連的影響

圖2所示的是銦柱與銦球的形貌圖。圖2(a)所示的是銦柱形貌圖，從圖中可以看到銦柱形狀不規(guī)整，表面粗糙，凹凸不平。圖2(b)和圖2(c)所示的是不同放大倍數(shù)下的銦球形貌圖，從圖中可以看到銦球大小均一，表面清潔，光滑。

圖2 銦柱與銦球的形貌圖

銦球相比銦柱來說，對倒裝互連的好處在于：1）由光刻直接形成的銦柱，不僅形狀不規(guī)整，表面粗糙，凹凸不平，而且高度也會參差不齊。銦柱回流縮球后基本形成了一個個的球形，高低不同的銦柱縮為球形后，高度差變小，更利于互連焊接；2）由于在互連焊接工藝中，焊接銦柱時需要一定的壓力，在探測器上可能造成機械損傷，所以在完成焊接任務(wù)的前提下，應(yīng)盡量減小壓力。球形的幾何形狀在焊接開始時接觸面較小，并且回流縮球后表面更為清潔，銦更軟，使用較小壓力便可完成焊接；3）銦球相比銦柱的高度要高，銦凸點高度增加的作用在于：①銦凸點在受到熱沖擊時的抗疲勞壽命和銦凸點的高度成正相關(guān)，即銦凸點的高度越高其抗擊熱沖擊的壽命就越長[8]；②有助于減小對焊接中調(diào)平的要求；③提高銦柱的高度可以為芯片和讀出電路互連后提供足夠的間隙，從而有利于點膠時膠的流動，進而實現(xiàn)良好的灌膠封裝。

此外，更為重要的是，銦球相比銦柱來說，倒裝互連后銦球的剪切強度要高于銦柱的剪切強度，這樣有助于增強器件的可靠性，下面就這種情況進行分析討論。

表1所示的是銦柱和銦球分別和芯片互連后未回流的剪切強度。從表1中可以看到銦球的平均剪切強度是銦柱的1.5倍，銦球剪切強度的增強的原因[9]可以歸結(jié)為銦球的晶粒取向的各向異性，而銦柱則表現(xiàn)為一定的擇優(yōu)取向。此外，我們還研究了銦柱和銦球分別和芯片互連后進行回流的情況，下面就這種情況進行分析和討論。

表1 銦柱和銦球分別和芯片互連后未回流的剪切強度

圖3(a)所示的未互連的芯片表面形貌圖。圖3(b)所示的是銦球和芯片互連分開后，芯片的表面形貌圖，從圖3(b)中可以看到芯片的接觸壓點上布滿了銦的痕跡，而且銦層較厚，并且大部分的斷面都不是接觸壓點處，也不是銦焊點的UBM處，而是銦焊點的內(nèi)部，這說明焊接銦球焊點與芯片接觸壓點之間有較好的浸潤性，這樣就能夠保證讀出電路與芯片之間有較強的機械強度[10]。圖3(c)所示的是銦柱和芯片互連后，芯片的表面形貌圖，從圖3(c)中可以看到芯片的接觸壓點上布滿了銦的痕跡，但是和圖3(b)中的銦層相比較薄。這也就表明銦柱焊點與芯片接觸壓點之間浸潤性不太好，斷面有可能發(fā)生在銦焊點的表面，銦柱和芯片之間互連的機械強度較弱。下面就銦柱和銦球互連回流后器件的剪切強度進行分析討論。

表2所示的是銦柱和銦球分別和芯片互連回流后的剪切強度，從表2中可以看到銦球的平均剪切強度是銦柱的2.8倍，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，正如前面討論的銦球和芯片接觸壓點有較好的浸潤性，而銦柱和芯片接觸壓點之間的浸潤性較差。對于銦球來說，由于在縮球的過程中能夠很好除去銦表面的氧化物，因此，在互連后回流的過程中，溫度在銦的熔點的附近時，芯片接觸壓點上的Au和In會生成金屬間化合物[11-12]，這樣就能夠保證銦凸點讀出電路與芯片互連的電學(xué)與機械連通性能[10,12-14]。但是，通常銦柱表面會有一層氧化層[15]，由于氧化層的存在阻擋了Au和In的浸潤反應(yīng)[14]，最終導(dǎo)致銦柱和芯片之間互連的機械強度比較弱。

2.2 長時間放置在空氣中的銦球?qū)Φ寡b互連的影響

圖4(a)所示的是未進行互連的芯片的表面形貌圖，圖4(b)所示的是正常銦球（回流縮球后未長時間放置的銦球）和芯片互連回流后分開的芯片表面的形貌圖。從圖4(b)中可以看到芯片的接觸壓點上布滿了銦的痕跡，而且銦層較厚，并且大部分的斷面都不是接觸壓點處，也不是銦焊點的UBM處，而是銦焊點的內(nèi)部，這說明銦球焊點與接觸壓點之間有較好的浸潤性。正如前面所討論的，在回流的過程中，芯片接觸壓點上的Au和In會生成金屬間化合物，這樣就能夠保證銦凸點讀出電路與芯片互連的電學(xué)與機械連通性能。

圖3 芯片表面形貌圖

表2 銦柱和銦球分別和芯片互連回流后的剪切強度

圖4 芯片表面形貌圖

圖5所示的是未進行互連的芯片的表面形貌圖，以及在空氣中放置5個月的銦球和芯片互連回流后分開的芯片表面的形貌圖。從圖5(b)中可以看到芯片的接觸壓點上布滿了銦的痕跡，但是和圖4(b)中的銦層相比較薄。這也就表明銦球焊點與芯片接觸壓點之間浸潤性不太好，斷面有可能發(fā)生在銦焊點的表面，銦凸點和芯片之間互連的機械強度比較弱。下面就上述兩種情況下的銦球分別和芯片互連回流后的剪切強度進行分析和討論。

表3所示的是正常銦球和在空氣中放置5月后的銦球分別和芯片互連回流后的剪切強度的大小。從表3中可以看到正常銦球的平均剪切強度是在空氣中放置5個月后的銦球的2.4倍。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于銦球長時間暴露在空氣中導(dǎo)致銦球表面形成了一層氧化層，由于氧化層的存在阻擋了銦球和芯片接觸壓點之間的浸潤作用。

此外，有些接觸壓點上沒有出現(xiàn)銦的痕跡，如圖5(c)和圖5(d)所示。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是有些銦球表面的氧化層較厚，嚴(yán)重影響銦球和芯片接觸壓點的浸潤作用，即氧化層的存在阻擋了In和Au的浸潤反應(yīng)作用[14]，最終造成In和Au無法實現(xiàn)鍵合作用，因此就導(dǎo)致了如圖5(c)和圖5(d)中所示的情況，芯片上有些接觸壓點上沒有出現(xiàn)銦的痕跡，也就是說Au和In根本沒有實現(xiàn)浸潤鍵合作用，這樣就直接導(dǎo)致銦球和芯片無法實現(xiàn)電學(xué)連通，最終導(dǎo)致器件盲元的產(chǎn)生，嚴(yán)重影響器件的性能[15]。

3 結(jié)論

本文討論了銦球和銦柱對倒裝互連的影響，結(jié)果表明銦球相比銦柱來說，不僅有助于倒裝互連，而且可以大大提高互連后器件的可靠性。此外，分析討論了長時間放置在空氣中的銦球?qū)Φ寡b互連的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)長時間放置在空氣中的銦球和芯片互連后，器件的電學(xué)與機械連通性能會受到很大的影響，最終導(dǎo)致器件可靠性極大降低和器件盲元的產(chǎn)生。

圖5 芯片表面形貌圖。(a) 未進行互連的芯片的表面形貌圖；(b)，(c) 和(d)在空氣中放置5個月的銦球和芯片互連回流后分開的芯片表面的形貌圖

表3 正常銦球和在空氣中放置5月后的銦球分別和芯片互連后的剪切強度

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Dissecting the Influence of Indium Bumps for Flip-chip

YANG Chaowei1，YAN Changshan2，WANG Qiongfang1，LI Jinghui1，HAN Fuzhong1，F(xiàn)ENG Yuanqing1，YANG Bichun1，ZUO Dafan1，ZHAO Li1，YU Jianyun1

(1.,650223,;2.298,650114,)

Two types of indium bumps have been fabricated: indium columns fabricated by direct evaporation and indium balls after reflowing indium columns.The impacts of indium columns and indium balls on flip-chip were discussed, and in particular the shear strength of indium columns and indium spheres was tested after flip-chip. Results reveal that the shear strength of indium spheres is 1.5 times higher than that of the indium columns without reflowing after flip-chip, and 2.8 times higher than that of the indium columns with reflow after flip-chip, respectively. In addition,the effects resulted from indium spheres which were exposed in the air for a long time for flip-chip were dissected. Results unravel that the indium spheres have negative influences on the electrical and mechanical connectivity of devices after flip-chip.

indium bump，indium column，indium ball，flip-chip

TN215

A

1001-8891(2016)04-0310-05

2016-01-21；

2016-03-15.

楊超偉（1988-），男，碩士，研究方向為電子器件封裝。E-mail：ycw20xx@163.com。