釬料凸臺陣列器件室溫超聲互連方法研究.pdf

1、隨著半導(dǎo)體集成電路(IC, Integrated Circuit)技術(shù)的發(fā)展，電子封裝通過不斷縮小尺寸來獲得更高的封裝密度并促成了一系列的技術(shù)改進(jìn)和突破，具有高密度、高可靠性和優(yōu)異電性能等特點的BGA(Ball Grid Array)封裝技術(shù)便是其中之一。典型的BGA器件多利用分布在底面的釬料凸臺陣列作為 I/O(Input/Output)端口，因此針對釬料凸臺陣列的互連技術(shù)成為了BGA器件封裝的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前工業(yè)界使用的BGA封裝

2、互連技術(shù)主要是再流軟釬焊技術(shù)。但在再流軟釬焊過程中，由于長時間暴露于高溫環(huán)境下,器件和基板很可能會發(fā)生變形進(jìn)而降低互連焊點的可靠性。此外，在利用再流軟釬焊對一些溫度敏感器件互連時，高溫也可能會對器件造成熱損傷。
　　本文利用超聲波在室溫下快速實現(xiàn)了釬料凸臺陣列器件的互連，徹底避免了再流軟釬焊工藝中高溫加熱對互連可靠性的負(fù)面影響，并分別從超聲工藝特性、摩擦產(chǎn)熱效應(yīng)、釬料凸臺熱變形、界面冶金反應(yīng)、焊點可靠性能等方面對超聲互連的接合機(jī)制

3、展開了細(xì)致的研究。
　　本文利用激光多普勒測振儀(LDV, Laser Doppler Vibrometer)測定了超聲互連過程中試件體系的振動幅度、振動速度和振動加速度，明確了超聲能量的衰減特性，并據(jù)此選擇了適當(dāng)?shù)脑O(shè)備參數(shù)。通過對超聲互連過程中釬料凸臺內(nèi)部不同位置溫升情況的實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)了接合界面的振動摩擦?xí)︹F料凸臺產(chǎn)生加熱作用，但整個釬料凸臺內(nèi)部的溫度場呈現(xiàn)梯度分布，并且只有靠近接合界面附近的10μm~20μm厚的區(qū)域內(nèi)的溫

4、升可以達(dá)到釬料熔點以上，進(jìn)而發(fā)生局部熔化形成液相釬料薄層，但釬料凸臺內(nèi)部其他大部分的區(qū)域始卻終保持固態(tài)。
　　對于釬料凸臺內(nèi)部大部分沒有熔化的區(qū)域會在超聲互連過程中受正向壓力和超聲振動的作用發(fā)生塑性變形。由于這些區(qū)域的溫升超過了釬料 Sn基體本身的再結(jié)晶溫度，因此發(fā)生的塑性變形將是一個熱變形過程。通過對釬料凸臺在正向壓力和超聲振動載荷下的有限元數(shù)值模擬，證明了在釬料凸臺內(nèi)靠近互連界面附近的“扣碗”型區(qū)域內(nèi)應(yīng)變和應(yīng)力最為集中，形成了

5、發(fā)生局部動態(tài)再結(jié)晶的驅(qū)動力。
　　對于界面附近形成的熔化釬料薄層，其將與Cu金屬焊盤發(fā)生冶金反應(yīng)形成接合。超聲波將在固/液界面附近引發(fā)空化現(xiàn)象并對形成的Cu6Sn5金屬間化合物產(chǎn)生剝蝕作用，這將干擾Cu6Sn5晶粒的生長并最終抑制超聲焊點中界面處Cu6Sn5金屬間化合物的尺寸。本文還發(fā)現(xiàn)Cu6Sn5的尺寸對焊點的剪切強(qiáng)度有直接影響，超聲互連時間越長，金屬間化合物尺寸越大，焊點剪切強(qiáng)度反而越小。
　　另外，為提高在高溫環(huán)境下服

6、役的電子產(chǎn)品中焊點的可靠性，本文還開發(fā)了在室溫下利用超聲波快速形成高熔點金屬間化合物（IMCs, Intermetallic Compounds）接頭的互連新方法。與傳統(tǒng)過渡液相(TLP,Transient Liquid Phase)焊接技術(shù)相比，形成全金屬間化合物接頭的時間被大幅縮短至幾秒鐘，提高了互連接合工藝的效率，更避免了高溫環(huán)境下過長時間的等溫凝固可能對器件可靠性造成的不利影響。
　　本文研究了在室溫下利用超聲互連技術(shù)快速