第36卷第11期 2015年11月
焊接学报
TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
Vol.36No.11 November2015
窄节距焊料凸点成形及焊盘尺寸对抗剪强度
和微观组织的影响
刘子玉'，蔡坚12，王谦，何熙，张龙
（1.清华大学微电子学研究所，北京100084；2.清华大学信息科学与技术国家重点实验室（筹），北京100084）摘要：通过优化模板印刷工艺实现了窄节距无铅焊料凸点成形，并观察了凸点形貌、高度以及评估成形的焊料凸点性能.利用拉力剪切力试验机对凸点进行剪切力测试，研究焊盘尺寸对凸点抗剪强度的影响，同时观察了断口形貌，最后对凸点内部及界面处的金属间化合物（intermetalliccompound，IMC)进行了观察。结果表明，小尺寸焊盘的凸点较高、均匀性较好，抗剪强度表现出随焊盘尺寸减小而减小的尺寸效应，并从剪切受力和IMC分析尺寸效应的成因.其中大尺寸焊盘的凸点界面IMC形貌为扇贝状，而小尺寸焊盘的界面IMC为针状，容易导致应力集中而降低抗剪强度
关键词：倒装芯片；焊料凸点；抗剪强度；焊盘尺寸；金属间化合物
中图分类号：TG425.1，TG111.91 0序言
文献标识码：A
集成电路集成度越来越高，封装互连密度不断增加【1-s]．倒装芯片（flipchip）封装技术通过凸点代替传统引线将芯片有源面与基板直接进行机械和电学连接【6,7】，实现了面阵列互连，从而极大地提高封装密度，正成为电子封装的主要互连方法.其中凸点技术是FC封装的核心，凸点节距（相邻凸点间的中心距）的减小代表着互连密度的提高：自前FC
凸点主要是无铅焊料凸点，SnAgCu无铅焊料由于其熔点低、机械强度高等特点已经被广泛应用于电子封装【8-10]．焊料凸点强度、可靠性与金属间化合物的组分与形态关系密切，特别是随者凸点节距减小金属间化合物可能占据凸点大部分体积，凸点强度和可靠性将表现出明显的尺寸效应，芯片与基板的热膨胀系数不匹配将导致凸点在组装中承受剪切应力，抗剪强度是表征凸点的强度和可靠性的重要性能指标.2011年国际半导体技术发展蓝图（ITR9 雷预测2014年应用于高性能芯片（中央处理器、图像处理器等）到基板的倒装芯片凸点节距将达到 100μm.因此研究焊盘尺寸对100μm以下节距的无铅焊料凸点的抗剪强度和金属间化学物的影响具有重要的科学意义和应用价值．众多焊料凸点成形
收稿日期：2014-02-12
基金项目：国家科技重大专项项目“三维高密度基板及高性能CPU
封装技术研发与产业化"（2011ZX02709
文章编号：0253360X(2015)11004904
技术中，模板印刷成形是一种高效率、低成本的倒装芯片凸点方法【112】．然而目前能够实现模板印刷 100μm以下节距的焊料凸点成形比较困难，关于焊盘尺寸对于模板印刷无铅焊料凸点的抗剪强度和 IMC的影响的报道相对较少.因此文中通过优化焊料类型、模板侧壁质量等实现了90节距焊料凸点成形，同时研究了焊盘尺寸对于凸点抗剪强度和 IMC的影响
1试验方法
研究中采用96.5%Sn3.0%Ag0.5%Cu（SAC305）组分的无铅焊膏进行模板印刷，焊膏内金属颗粒尺寸为15~25μm，焊料类型为免洗焊料和水溶性焊料.用于印刷的4寸硅晶圆上的焊盘节距为90μm，形状为正方形.尺寸分别为40μm×40μm，30μm× 30μm,20μm×20μm和16μm×16μm文中主要分析两种极限尺寸焊盘对于抗剪强度和IMC的影响.焊盘主要成分为TiW/Cu.其中溅射的TiW和铜作为粘附层和种子层，电镀铜作为浸润层，成形后的凸点结构如图1所示.文中采用半导体工艺在晶员上制作焊盘然后在高精度印刷机上采用电铸镍模板进行焊料印刷．随后在氮气回流炉内，峰值温度为260℃下进行焊料再回流成形凸点.此后测量不同焊盘尺寸的凸点高度，利用拉力剪切力试验机进行剪切力测试.其中剪切高度是凸点高度的10%~