在接下来对于复合材料焊点的讨论中，UBM层的铜的厚度为5μm。97Pb3Sn焊料电镀在溅射钨化钛/铜/电镀铜所组成的UBM层之上，随后在380℃下进行回流。平整化后的共晶焊料凸点的厚度约为40μm。在室温下相同复合材料倒装芯片焊点的电迁移展现出了相似的失效模式，但与电流密度之间存在十分密切的关系[21]。在4.07×104 A/cm2的电流密度下，复合材料焊点经过1个月的电迁移试验也没有失效，但通以4.58×104 A/cm2的电流仅10 h后，就发生了失效。......
2023-06-20
复合材料焊点中的凸点下薄膜铜分析与优化
【摘要】：一种复合材料焊料由此而生，它结合了芯片一端高熔点的97Pb3Sn焊料与高分子聚合物基板一端的低熔点共晶37Pb63Sn焊料。图9.19所示为一对带有UBM层薄膜的复合材料焊点截面的SEM照片。图9.19一对带有UBM层薄膜的复合材料焊点截面的SEM照片实验30 min；实验1 h；实验2 h如图9.19~所示，我们可以很清晰地看到，电流集聚效应对材料各相重新分布的影响。在实际中，在具有UBM层薄膜的复合材料焊点中，经常可以观察到这种局部熔融的现象。
在1.3.3和4.2节中，我们讨论了将倒装芯片焊接在高分子聚合物基板的低成本产品上的应用的趋势。由于高分子聚合物较低的玻璃化转变温度，高分子聚合物基板上的焊料也必须有低的熔点。一种复合材料焊料由此而生，它结合了芯片一端高熔点的97Pb3Sn焊料与高分子聚合物基板一端的低熔点共晶37Pb63Sn焊料。它的一个主要优势是可以与高分子聚合物基板兼容，因此芯片直接贴装技术可以在高分子聚合物基板上实现。但是，我们仍需要考虑电迁移所引发的问题。
图9.19所示为一对带有UBM层薄膜的复合材料焊点截面的SEM照片。这种复合焊点由芯片一侧的97Pb3Sn与基板一侧的37Pb63Sn共晶焊料组成。芯片一侧的接触处凸点直径为90μm，高度为105μm。芯片一侧的三层薄膜分别为铝（0.3μm）/镍（钒）（0.3μm）/铜（0.7μm）。在基板一侧，焊盘的金属层是镍（5μm）/金（0.05μm）。电迁移试验在温度为150℃，电流密度为1.57×104 A/cm2的条件下分别进行30 min、1 h、2 h。相对应的一对焊点截面的SEM照片如图9.19（a）~（c）所示。在这对焊点中，电子从右侧焊点的底部流入，经凸点从左上角流出，再从左侧焊点的右上角流入，经凸点从底部流出。如图9.19所示，凸点中的较暗区是共晶相，较亮区是高铅相。
图9.19 一对带有UBM层薄膜的复合材料焊点截面的SEM照片
（a）实验30 min；（b）实验1 h；（c）实验2 h
如图9.19（a）~（c）所示，我们可以很清晰地看到，电流集聚效应对材料各相重新分布的影响。根据前文所述，在150℃的条件下，铅是锡铅焊料中主要的扩散组元。在150℃条件下，经过30 min的电迁移试验后，右侧焊点的共晶相移动到了右下角，相应地，左侧焊点中的共晶相移动到了左上角。1 h之后，其移动趋势情况基本相同。2 h之后，如图9.20所示，在更高的放大倍率下，可看到左侧焊点中靠近硅晶片一侧的阴极位置处形成了扁平型孔洞。值得注意的是，如图9.19（c）和图9.20所示，暗色的共晶相随着扁平型孔洞的生长而向左侧移动。我们对于共晶相的侧向位移可以做如下解释，当孔洞进行侧向生长时，电流集聚区随着孔洞的顶部而移动，在电迁移驱使下，铅原子远去而被锡原子所填充，因此共晶相随着孔洞的顶部而移动。
因此，在扁平型孔洞生长结束时，低熔点共晶相移动到了焊点的左上角。由电流集聚效应所增加的焦耳热、在铝互连中更长的导电通路和孔洞所产生的绝热效应，都可能导致凸点左上角的焊料在较低温度下的局部熔化。在实际中，在具有UBM层薄膜的复合材料焊点中，经常可以观察到这种局部熔融的现象。
图9.20 在更高放大倍率下图9.19（c）中左侧焊点中所形成扁平型孔洞
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2023-06-20
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2023-06-20
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2023-07-18
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