第二章 应用无铅焊料实现芯片（或晶片）级的互连

1、简介：可选择的无铅焊料材料系统在电子工业中越来越受关注，在焊料凸点倒装焊技术中，晶片的凸点化是非常重要的一步。凸点下金属化（UBM）是晶片焊料凸点化的核心，如果UBM没有做好，那么将导致以下可能的后果：在PCB板上或衬底上，在回流焊期间或正好结束时，芯片将会脱落；多次回流焊后，焊料的连接的可靠性将下降；

2、凸点下金属化：凸点下金属化有许多不同的金属，然而对于微球和胶带印刷晶片凸点技术，钛-铜、钛钨-铜、电解镍、无电镀的镍-磷浸金和铝-镍钒-铜是最常用到的。
a.不带电镀的镍-磷浸金凸点（针对KAIST的镍-铝凸点进行分析）；
b.铝-镍钒-铜凸点：晶片级再分布倒装芯片封装的工艺过程：
■在晶片上淀积第一层绝缘层—双苯环丁烯BCB;
■开窗口露出衬底区用于键合的底盘；
■在晶片上溅射铝、镍钒和铜作为凸点下的金属层；
■在金属层上刻出图形，形成相应的轨迹和键合底盘；

3、应用无铅焊料的微球圆片凸点：
a.微球晶片凸点概述：UBM由无电镀Ni-Au工艺形成，焊剂加在UMB上，则微焊料球转移到UMBs上，将其在氮气氛炉子中回流，最后清除焊剂剩余物；
b.微球的制备：以Sn-Ag合金为例，将材料切割成许多小单元，并对这些单元进行加热以使其熔化，加热过程中所加的温度要远远高于材料的熔点，由于焊料金属液态时表面张力的作用，焊球将更加趋于圆球化；
c.微球的控制：主要通过真空吸孔和超声波振动等方式结合来安装微球；
d.微球圆片凸点：绝大多数晶片焊球方法不能完成单点接触，而微球安装方法可以进行单点接触，使用此设备适用于丢失或被破坏焊球的补充；

4、置于圆片上的锡—银—铜焊料球：
a.晶片级芯片尺寸封装WLCSP：对于大部分WLCSP，其中一个独特的特性是应用了一个金属层，从而将芯片上的小口距的焊盘再分布，用尺寸大得多的焊料凸点形成大口径面积阵列焊点，这样一来当芯片安装到PCB板或衬底上时，焊点将显得要高得多，一般此类封装中需要用到填料密封剂来提高焊点的可靠性；
b.带有应力缓释层的圆片级芯片尺寸封装：为了避免使用填料密封剂，确保焊料连接的可靠性，Hitachi在芯片进行再分布和凸点化之前，在芯片上加了一层应力缓释层，其位于芯片和焊料凸点之间，其作用是提高内连接的柔性，减小芯片和PCB板之间热膨胀系数的差异，另外厚的应力缓释层可用来减小芯片表面和内连接之间的电容，这样有利于在高频下应用；

5、在带有Ni-Au金属凸点硅片上掩膜印刷Sn-Ag焊料：
a.在不电解镍和焊料间的界面态：一般而言，Kirkendall空洞是由于Sn扩散进IMC层后，在IMC层上的焊料里出现的；
b.金属互化物（IMC）和富磷镍层的生长：回流的温度和时间会直接影响金属化层的厚度及富磷镍层的厚度；
c.凸点切向断裂面：需通过工艺控制互化层、富磷镍层和Kirkendall空洞，从而防止不带电镍层/焊球的脆性断裂；

6、镍-金作为凸点下金属层的硅片上应用锡-铜、锡-银-铋、锡-银-铜等焊料的掩膜印刷：Motorola公司曾系统研究过在不带电的Ni-Au、Ti-Cu和TiW-Cu凸点下金属化的硅片上用非常细的网格进行掩膜印刷无铅焊料（99.3Sn-0.7Cu、96.5Sn-3.5Ag、96Sn-2Ag-2Bi、95.5Sn-3.8Ag-0.7Cu）的技术，主要围绕回流化焊料凸点间的界面、合金化凸点焊料间的界面以及焊料凸点的剪切力几个方面展开研究；

7、在带有钛-铜金属化层的硅片上掩膜印刷锡-铜、锡-银-铋、锡-银-铜焊料：现在绝大多数硅片所带的是铝导线和铝焊盘，但是半导体行业内一些领军企业，例如IBM、Motorola、Intel、TSMC、UMC和TI等，已经开始使用铜导线和焊盘了，其中也对回流后焊料凸点间的界面及
合金化凸点焊料间的界面展开多方面的研究；

8、在带有铝-镍钒-铜凸点下金属层的硅片上焊料的掩膜印刷：在制作了Al-NiV-Cu凸点下金属化后，再淀积第二层绝缘层来覆盖住UBM层，然后通过打开窗口来确定焊料粘附的位置，在焊盘上淀积任何形式的无铅焊料之后，回流并清洁焊球。