先進封裝中凸點技術(shù)的研究進展

隨著異構(gòu)集成模塊功能和特征尺寸的不斷增加，三維集成技術(shù)應(yīng)運而生。凸點之間的互連 是實現(xiàn)芯片三維疊層的關(guān)鍵，制備出高可靠性的微凸點對微電子封裝技術(shù)的進一步發(fā)展具有重要意 義。整理歸納了先進封裝中的凸點技術(shù)，包括凸點的制備方法與材料、微觀組織與力學(xué)性能、電性 能與可靠性、仿真在凸點中的應(yīng)用，為后續(xù)凸點研究提供參考。最后，對凸點技術(shù)進行了展望，凸 點工藝將繼續(xù)向著微型化、小節(jié)距、無鉛化和高可靠性方向發(fā)展。

近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，工藝制程 的節(jié)點已逐步接近原子尺寸級別，先進封裝逐漸成為 延續(xù)摩爾定律的主要方式。從行業(yè)發(fā)展趨勢看，封裝 正在向著小型化、輕質(zhì)量、更多 I/O 數(shù)、高性能、高速 度、高頻率、高集成化的方向發(fā)展。倒裝（FC）焊接技 術(shù)應(yīng)運而生，在某些高要求應(yīng)用中逐漸取代傳統(tǒng)的引 線鍵合技術(shù)，以減小封裝體積，提升封裝密度，縮短互連長度，從而減小寄生電容，提升傳輸速度。

倒裝焊接技術(shù)作為一種先進封裝技術(shù)，其發(fā)展離不開焊點技 術(shù)的革新。倒裝焊接技術(shù)的精度要求進一步提升了凸點（尤 其是微型凸點）制備的復(fù)雜性。微小的凸點間距和高 度增加了填充工藝的難度。同時，多應(yīng)力作用下的凸 點極易產(chǎn)生諸如界面空洞、金屬間化合物（IMC）擴展 等缺陷，加速芯片失效的過程。因此，在后摩爾時 代，針對凸點小型化、材料選擇、可靠性等問題，需要建 立合理的評判機制。本文主要介紹先進封裝中凸點 技術(shù)的研究進展，并結(jié)合應(yīng)用端，展望凸點技術(shù)的發(fā) 展趨勢。 

凸點按照制備方法可以分為蒸發(fā)沉積、絲網(wǎng)印 刷、植球、電鍍、噴射、化鍍等。 

凸點最早使用的制備方法為蒸發(fā)沉積法，由 IBM 公司研發(fā)并用于芯片 FC鍵合，并隨著可控坍塌芯 片連接（C4）技術(shù)而流行起來。該凸點材質(zhì)最初選用 銅，后逐步轉(zhuǎn)變?yōu)殄a鉛焊料凸點，被 IBM 及其他公司 持續(xù)使用了幾十年，并一直保持高可靠性記錄。倒裝 焊料凸點和銅柱凸點的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。由于鉛及其 化合物均有很大毒性，對人體健康和環(huán)境有不良影 響，我國出臺了《電子信息產(chǎn)品污染控制管理辦法》以 限制鉛及含鉛物質(zhì)的使用。由于成本以及良率、節(jié)距 的問題，8 英寸晶圓是蒸發(fā)沉積技術(shù)的終點。 

絲網(wǎng)印刷技術(shù)由印制電路板產(chǎn)業(yè)引進到晶圓級 封裝技術(shù)中，采用絲網(wǎng)印刷法制備凸點的優(yōu)點是工 藝簡單、操作方便、成本低，缺點是用此種方法制備的 凸點節(jié)距較大，無法制備較小節(jié)距凸點是因為回流前 后焊膏的體積變化很大，需要足夠大的空間。 

采用電鍍法制備凸點，具有工藝簡單、易于量產(chǎn)、 一致性好、線寬 / 線距小等優(yōu)點，其被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域。該方法的缺點是工序相對復(fù)雜，改變 焊料合金的成分相對較難，需要通過對電鍍液中各組 成成分的含量進行控制，且在凸點存在狀態(tài)下進行種子層刻蝕。 

焊料噴射是連續(xù)的無掩模焊料沉積技術(shù)，用噴頭 將液態(tài)焊料噴射至晶圓上。此技術(shù)可以實現(xiàn)較高的噴 射頻率，但對整個工藝的控制較為困難。 

由于不需要采用光刻和濺射等工序，化鍍工藝的 成本較低，可以直接對露出鋁焊盤的晶圓進行濕法處 理，從而吸引了研究者的關(guān)注。德國的 IZM 工藝是先 對晶圓背面掩模，然后進行正面鈍化層的清洗，通過 鋁焊盤的活化、浸鋅、化鎳、浸金、清洗等制備出磷鎳凸 點，其厚度為 5 μm，表面防氧化層金的厚度為 50~ 80 nm。不同凸點制備方法如表 1 所示。

中國電子科技集團公司第二十四研究所采用德國電鍍技術(shù)有限公司的 MOT 機臺和某進口電鍍 液 ， 電 鍍 制 備 出 以 Cu 為 凸 塊 下 金 屬 （UBM）的 Sn3.5Ag 二元合金焊料凸點，如圖 2 所示。通過對陽極 板位置的調(diào)節(jié)、藥液中 Sn 離子和 Ag 離子濃度比值的 調(diào)節(jié)、電鍍液的定期監(jiān)控等措施將凸點的成分控制在 Sn、Ag 的質(zhì)量比為 96.5∶3.5。 

YU等的研究將 Sn/Ag/Cu 三元無鉛焊料作為含 鉛焊料的潛在替代品，并對 Sn/2.5Ag/0.7Cu、Sn/3.5Ag/ 0.7Cu、Sn/3.5Ag/0.7Cu/0.1RE 和 Sn/3.5Ag/0.7Cu/0.25RE 的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進行了研究。當(dāng) Sn/2.5Ag/ 0.7Cu 和 Sn/3.5Ag/0.7Cu 中形成粗大的 β-Sn 晶粒時， Sn/3.5Ag/0.7Cu 合金中出現(xiàn)塊狀的 Ag、Sn。通過摻雜 微量稀土元素 Ce 使得粗大的 Cu6Sn5 和 Ag3Sn 晶粒得 以細化，這主要是由于稀土元素 Ce 起到了釘扎作用， 抑制了晶粒的生長。由于顯微組織精細均勻，提高了 拉伸強度和伸長率，稀土元素的加入可以作為開發(fā)新 型無鉛焊料的有效途徑。

WEI 等介紹了銅柱凸點技術(shù)的進展，對比了銅 柱焊料凸點（CPB）和 C4 凸點的性能，列舉了各大廠 的代表銅柱凸點，介紹了銅柱凸點的制造工藝、應(yīng)用 場景、可靠性、倒裝問題和可以生產(chǎn)的封裝廠，以及未 來的發(fā)展趨勢。微互連的銅柱凸點如圖 3 所示。CPB 工藝以其更小的凸點節(jié)距（＜50 μm），更優(yōu)良的電學(xué) 性能、熱學(xué)性能和機械性能，能夠滿足未來高 I/O 密 度、優(yōu)良電熱性能的封裝需求。

呂鏢等研究了陰極移動對在不同電流密度下制 備的鎳層表面形貌、粗糙度、孔隙率、組織結(jié)構(gòu)以及纖 維硬度等性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流密度較大時， 陰極移動可以改善濃度極化導(dǎo)致的鍍層質(zhì)量劣化，降 低孔隙率和殘余應(yīng)力，但對晶向沒有影響。 

相較于其他凸點制備方法，電鍍法具有易于批量 生產(chǎn)、一致性好，以及可以制備絕大部分凸點等優(yōu)點， 因此被廣泛應(yīng)用于集成電路的封裝領(lǐng)域。研究者們也 會針對凸點材料將常用凸點分為含鉛凸點及無鉛凸 點。由于鉛的毒性，無鉛電子組裝已成為不可扭轉(zhuǎn)的 趨勢。目前已經(jīng)明確用來取代 Sn/Pb 合金的無鉛焊料 是以 Sn 為基體的二元、三元甚至更多元的合金焊料。

凸點的成分、結(jié)構(gòu)及其形成的微觀組織決定了其 力學(xué)性能，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的相關(guān)研究，以期 構(gòu)建凸點的微觀組織與力學(xué)性能之間的聯(lián)系，從而獲 得符合使用要求的凸點結(jié)構(gòu)，并取得了大量的成果。 

李福泉等采用熔融法熔滴 SnPb 焊料，其在 CuNiAu 焊盤上所形成的組織為 Au/Sn IMC，Au/Sn 凸 點的整體形貌如圖 4 所示。隨后的再回流過程中， Au/Sn IMC 遷移至焊料基體內(nèi)部，裸露出的 Ni 層與 Sn 生成 Ni₃Sn₄。隨著老化過程的進行，AuSn4 重新沉積 于界面，并形成（Au_xNi_1-x）Sn₄，在該層之上有富鉛相產(chǎn) 生。Au/Sn IMC 的反應(yīng)及其分布對焊料與焊盤間的力 學(xué)性能影響很大。

通過熔融共晶 SnPb 和熱退火 Ni 的反應(yīng)潤濕，在 Ni 上形成 Ni3Sn4 晶粒，并使用同步 X 射線衍射分析發(fā)現(xiàn) Ni₃Sn₄ 和 Ni 之間存在 2 種擇優(yōu)取向關(guān)系。 

凸點的成分也會對界面反應(yīng)的動力學(xué)過程造成影 響。LAURILA 等研究了 SnPbAg、SnAg 和 SnAgCu 凸點焊料與印制板上 Ni/Au 表面進行光刻的界面反 應(yīng)，特別是 AuSn IMC 的再沉積，發(fā)現(xiàn) SnPbAg/Ni/Au 和 SnAg/Ni/Au 體系在焊接過程中形成的第一相為 Ni₃Sn₄。在隨后的固相退火過程中，2 個體系都出現(xiàn)了 AuSn₄、(Au, Ni)Sn₄ 相的再沉淀，可用局部平衡的概念 和相應(yīng)的三元相圖解釋這一現(xiàn)象。結(jié)果表明，Ni 可以 驅(qū)動 (Au, Ni)Sn₄ 發(fā)生再沉淀。當(dāng)焊料中含有一定的 Cu 時，首先形成的 IMC 為 (Cu, Ni, Au)₆Sn₅，未發(fā)現(xiàn) AuSn4 的再沉積，在富 Sn 焊料體系中加入少量 Cu 就 完全改變了互連系統(tǒng)的行為。 

LABIE 等研究報道了倒裝芯片尺寸凸點的Cu/Sn 和 Ni/Sn 固態(tài)擴散，在直徑為 40 μm 的鍵合墊 倒裝凸點上測量了 Cu/Sn 和 Ni/Sn 的 IMC 互擴散系 數(shù)和活化能，描述了金屬反應(yīng)的形貌。在 Ni/Sn 體系 中，少量的 Cu 對 Ni 的消耗有一定影響，而大量的 Cu 則會導(dǎo)致金屬間界面的極端扇貝化。 

回流焊的條件會改變凸點的微觀形貌，從而影響 其可靠性。林小芹等用電鍍法制備了以 Cu 為 UBM 的尺寸小于 100 μm 的 Sn3Ag 凸點，圖 5 為 Sn3Ag 凸 點的 SEM 照片。芯片內(nèi)凸點高度的一致性為 1.4%，4 英寸片間的凸點高度一致性約為 3.57%；研究了 Cu 焊 盤與焊料 SnAg 在不同回流次數(shù)下界面反應(yīng)及孔洞形 成的機理，預(yù)測了對凸點連接可靠性的影響。研究結(jié) 果表明，焊料與 Cu6Sn5 界面中孔洞的產(chǎn)生主要是相變 體積收縮所致。凸點的剪切強度隨著回流次數(shù)的增多 而增大，Cu6Sn5/Cu 界面隨服役而不斷產(chǎn)生的孔洞對凸 點的長期可靠性會產(chǎn)生不利影響。

GORLICH 等研究了固態(tài) Ni 和液態(tài) Sn 之間的 焊接。研究發(fā)現(xiàn)，只有在工藝的早期階段，IMC 晶粒的 生長隨時間呈線性變化。之后，IMC 晶粒的生長速度 逐漸下降。值得注意的是出現(xiàn)了速率常數(shù)不同的 2 個體系。用最新的助焊劑驅(qū)動理論討論了所觀察到 的生長速度變化，但是這個理論僅針對 4 min 內(nèi)的 短回流過程有效。使用透射電鏡觀察到扇貝狀微結(jié) 構(gòu)，在 Ni/Ni3Sn4 界面新晶粒永久成核，海綿狀等軸 晶粒隨后形成。晶界潤濕只出現(xiàn)在反應(yīng)區(qū)的一定范圍內(nèi)。 

凸點的微觀形貌也會影響其剪切強度。TIAN 等對含有限晶粒數(shù)的回流失效凸點進行了動態(tài)剪切測 試，研究了 SAC305/Cu 凸點的變形和斷裂行為。使用 偏振光顯微鏡（PLM）和電子束背散射（EBSD）技術(shù)分 析了晶粒的形貌和分布，利用 SEM 觀察了凸點組織 和 IMC 對凸點斷裂行為的影響，焊錫接點和 IMC 微 結(jié)構(gòu)如圖 6 所示。實驗結(jié)果表明，在 Sn3.0Ag0.5Cu 焊 料中，IMC（Cu6Sn₅ 和 Ag₃Sn）的形貌和分布是導(dǎo)致焊 料尺寸效應(yīng)的主要原因。隨著凸點尺寸的增大，回流 和失效焊接頭的剪切強度降低。分散在小凸點中的納 米顆粒狀 Ag3Sn 對凸點的力學(xué)性能有強化作用。樹枝 狀和羽毛狀的 Ag₃Sn 使大尺寸的凸點變脆。在動態(tài)剪 切測試中，小凸點出現(xiàn)了明顯的塑性變形，并發(fā)生了 動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶。斷裂發(fā)生在大部分焊料中，而脆 性斷裂發(fā)生在大凸點中，斷裂位置靠近焊料表面。裂 紋以穿晶斷裂的方式擴展。老化后，所有的凸點均發(fā) 生動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶。大凸點的塑性增強，在動態(tài)測 試過程中發(fā)生穿晶斷裂和沿晶斷裂。

CHUANG 等對 Ni 和 Sn 反應(yīng)的空洞消除進行 了研究，以揭示空間限制對 Ni/Sn 和 Ni/SnAg 反應(yīng)的 影響。結(jié)果表明，空間限制導(dǎo)致 Ni/Sn/Ni 夾層中心附 近形成了空洞，其根本原因是反應(yīng)產(chǎn)生的體積收縮不 能通過夾層垂直厚度的減小而完全消散。在 Ni3Sn4 相 反方向生長的晶?；ハ嘧矒?，有效地阻止了夾層垂直厚度的減小。第一次增加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2.4 %的 Ag 時有 效地消除了這些空洞，說明加入 Ag 可以顯著地抑制 Ni/Sn 空洞的產(chǎn)生，有人認(rèn)為這是 Ag 原子的析出擴散 造成的。

CHUANG 等提出了在三維集成電路封裝中由 空間引起界面反應(yīng)的幾個關(guān)鍵問題。包括 IMC 晶粒的 碰撞產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷，焊料濃度消耗導(dǎo)致雜質(zhì)濃度上 升，焊料尺寸變小導(dǎo)致薄膜層對 UBM 和表面光潔度 的影響越來越大等，并討論了這些問題的含義和解決方案。 

凸點的尺寸也會改變 IMC 的生長情況。HUANG 等 報道了在 Ni/SnAg/Cu 焊料微凸點中的新發(fā)現(xiàn)， IMC 的生長速率在很大程度上取決于焊料厚度。在 Ni/SnAg（厚度為 40 μm）/Cu 結(jié)構(gòu)中，化合物在 Ni 側(cè) 的生長速度比在 Cu 側(cè)快。由于焊料中 Cu 和 Ni濃度 的梯度變化，當(dāng)焊料厚度小于 20 μm 時，IMC 的生長情況相反。 

LIANG 等研究了焊料厚度分別為 4 μm 和 12μm 時，Ni/Sn2.3Ag/Ni 微凸點的三明治結(jié)構(gòu)在 260 ℃下經(jīng) 回流后的微結(jié)構(gòu)演變。當(dāng)焊料厚度為 4 μm 的微凸點 經(jīng)過 1 次 4 min 的回流處理后，Ni 在 UBM 界面處形 成了 IMC，成分為 Ni3Sn4，形成的 Ag3Sn IMC 分散在焊 料基體中。當(dāng)回流時間接近 34 min 時，Ni3Sn4 IMC 幾 乎占據(jù)了整個界面，此時在 IMC 中仍有些孔洞。相比 之下，在焊料厚度為 12 μm 的微凸點中 Ni3Sn4 IMC 的 生長速率要慢于焊料厚度為 4 μm 的微凸點。 

陳雷達等研究發(fā)現(xiàn)，由于 IMC 的熱膨脹系數(shù)、 彈性模量、斷裂伸長率等材料參數(shù)與基體金屬差異很 大，所以 IMC 越厚就越容易產(chǎn)生龜裂，導(dǎo)致凸點失效。在使用過程中由于擴散導(dǎo)致的柯肯達爾孔洞也會成 為裂紋的源頭。因此，IMC 的形貌、厚度和結(jié)構(gòu)都會影 響凸點的可靠性。微型化導(dǎo)致的尺寸效應(yīng)對可靠性產(chǎn) 生了越來越重要的影響。 

YU 等研究了高度小于 10 μm 時 Ni/SnAg/Ni 微 凸點中的 Ag 含量對減少孔洞的影響，系統(tǒng)地研究了 Ag 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于 8%時的最佳值。結(jié)果表明，在固 態(tài)反應(yīng)中，當(dāng) Ag 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于 2.4 %時有孔洞產(chǎn) 生；當(dāng) Ag 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于 3.5 %時，幾乎沒有孔洞 產(chǎn)生，且在鍵合條件下析出 Ag3Sn。當(dāng) Ag 的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 達到 8%時，形成了部分連續(xù)的 Ag3Sn 層。 

YANG 等研究了 Cu/Ni/SnAg 微凸點中 Sn 的表 面擴散對 IMC 生長的影響，發(fā)現(xiàn)隨著凸點尺寸的降 低，表面擴散變得更加重要。該團隊采用透射電鏡 （TEM）觀察了側(cè)面的 Ni3Sn（靠近 4 Ni3Sn4/Ni 界面）、側(cè) 壁 Ni3Sn（在2 Ni 阻擋層表面）和側(cè)面 Cu3Sn（在銅柱表 面）對 Sn 原子擴散的影響；計算出了 Ni3Sn4 橫向生長 常數(shù)約為 0.025 7 μm/h1/2?；谝陨蠈嶒灲Y(jié)果和擴散理 論，提出了微凸點中 IMC 的形成機理，在高密度電子 封裝中，表面擴散引起的額外 IMC 生長可能是引起失 效風(fēng)險的潛在因素。 

CAI 等通過 Sn 層間的厚度優(yōu)化、界面 IMC 的 生長演化和凸點尺寸效應(yīng)這 3 個重要實驗研究 Cu/Sn 固態(tài)鍵合。通過對電鍍 Sn 表面粗糙度和預(yù)制 Cu6Sn5 晶粒峰的分析，確定 Sn 中間層的最小厚度為 2 μm。在 鍵合前，只有一個不穩(wěn)定的 Cu6Sn5 相在室溫下形成， 該相的成核是一個不穩(wěn)定過程。在富 Cu 的 Cu/Sn/Cu 三明治結(jié)構(gòu)的鍵合和退火過程中，Sn 中間層經(jīng)歷了還 原、分裂和衰竭，相應(yīng)的 Cu6Sn5 相發(fā)生了生長、合并和 轉(zhuǎn)變，最終形成了一個穩(wěn)定的 Cu/Cu3Sn/Cu 的 3 層結(jié) 構(gòu)。柯肯達爾孔洞出現(xiàn)在 Cu/Cu3Sn 界面處，且隨著 Cu6Sn5 相的減少而不斷生成。在 200 ℃的低溫條件下， Cu/Sn 鍵合中 IMC 的生長機制仍為晶格擴散。當(dāng) Sn 存在時，Cu6Sn5 相的產(chǎn)生抑制了 Cu3Sn 的生長，且得到了 2 個略大的互擴散系數(shù) D(Cu6Sn5)=3.035×10-17 m2 /s， D(Cu3Sn)=7.496×10-17 m2 /s。隨著凸點寬度的不斷降低， 尤其是降低至 60 μm 以下時，IMC 側(cè)向生長引起的凸 點尺寸效應(yīng)逐漸明顯，并對細節(jié)距 Cu/Sn/Cu 互連有利。 

田飛飛等在 CuNi 焊盤上植共晶 Sn63Pb37 焊 球，用波峰焊焊接至化學(xué)鍍 NiAu 的 PCB 銅焊盤上， 通過 SEM 觀察了界面的微觀組織，采用色譜儀（EDS） 分析其微觀組織成分。結(jié)果表明，芯片側(cè)從 Ni 層往 PCB 方向，IMC 依次為 (Cu, Ni)3Sn、(Cu, Ni)6Sn5；PCB 側(cè)從 Ni 往芯片方向，IMC 依次為 NiSnP 三元化合物 和(Cu，Ni)6Sn5。由于 IMC 多為脆性相，容易產(chǎn)生微裂 紋并對凸點的力學(xué)性能、可靠性有不利影響。

LIN 等人首次在高溫、高濕存儲條件下觀察到 在 Cu/Ni/SnAg 微凸點表面的淺層晶粒上生長出錫晶 須。氧化反應(yīng)和 IMC 反應(yīng)形成的應(yīng)力差導(dǎo)致了晶須的 形成。均勻取向的相關(guān)孿晶減緩了 Sn 原子的擴散速 率，淺層表面較大體積的 Ag3Sn 限制了晶須晶界的遷 移，對晶須和小丘表面形貌有著重要影響。在此基礎(chǔ) 上，他們提出了 Sn 晶須和階地狀小丘的形成機理。該 研究結(jié)果對孤立 Sn 基凸點上的 Sn 晶須和小丘具有 重大意義，對 3D 電子封裝的可靠性具有指導(dǎo)意義。 

目前關(guān)于力學(xué)性能與微結(jié)構(gòu)的研究主要集中在 較大尺寸的凸點中，針對微型凸點的力學(xué)性能研究較少。此外，實際生產(chǎn)過程中的工藝條件以及凸點尺寸 的差異均會顯著影響界面 IMC，從而導(dǎo)致凸點的力學(xué) 性能發(fā)生變化。因此，在后續(xù)研究中有必要進一步聚 焦微型凸點的微觀結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能。 

凸點的微觀組織不僅決定了其力學(xué)性能，還會對 電路的電性能及可靠性造成影響。隨著電路不斷朝著 微型化方向發(fā)展，封裝結(jié)構(gòu)中的凸點尺寸越來越小， 凸點所經(jīng)受的電流密度大大提高。電遷移對元素擴散 與界面反應(yīng)的影響變得越來越重要。因此，在電遷移 作用下凸點中的元素擴散及界面反應(yīng)已經(jīng)成為微電 子封裝的研究熱點。 

由于實際倒裝凸點結(jié)構(gòu)為非對稱結(jié)構(gòu)，在凸點的 電流入口處和出口處容易產(chǎn)生嚴(yán)重的電流擁擠效應(yīng) 與焦耳熱效應(yīng)，進而使得凸點處的電遷移現(xiàn)象變得十 分復(fù)雜。陳雷達在“純化條件下”研究電遷移對 Cu/Sn/Cu、Cu/Sn/Ni 凸點中元素擴散及界面反應(yīng)的影 響，并在此基礎(chǔ)上更深一步地研究了電遷移對這 2 種 凸點的界面反應(yīng)與失效機理的影響。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，對 于 Cu/Sn/Cu 對稱結(jié)構(gòu)，在電遷移作用下，凸點界面的 IMC 生長呈現(xiàn)明顯的極性效應(yīng)。陰極界面處的 IMC 生 長弱于陽極界面處的 IMC 生長。電流密度越大、溫度 越高，界面 IMC 的生長速率越大。

對于 Cu/Sn/Ni 非對稱結(jié)構(gòu)，在液 / 固與固 / 固條 件下，界面 IMC 在電遷移過程中的生長均呈現(xiàn)極性效 應(yīng)，液 / 固條件下陽極界面的生長速率比液 / 液條件 下高一個數(shù)量級。電子風(fēng)的方向影響凸點中 Cu-Ni 的 交互作用，在固 / 固的電遷移條件下，Cu 原子只有在 順電子風(fēng)擴散時才能夠擴散到對面 Sn/Ni 界面并改變 界面 IMC 的類型，在逆電子風(fēng)時無法擴散到對面 Sn/Cu 界面，對應(yīng)的 IMC 為（Cu, Ni）6Sn5；Ni 原子無論 在順 / 逆電子風(fēng)下都無法大量擴散到 Sn/Cu 界面，在 150 ℃、104 A/cm2 的條件下，當(dāng) Ni 為陰極時會大量溶 解并與 Sn 原子生成塊狀 Ni3Sn4。在液 / 固的電遷移條 件下，原子擴散更快，Cu 原子在順 / 逆電子風(fēng)條件下 均能擴散到對面的 Sn/Ni 界面 IMC；Ni 原子只有在順 電子風(fēng)時可以擴散到對面 Sn/Cu 界面，逆電子風(fēng)時并 不 能 擴 散 到 對 面 Sn/Cu 界 面 ， 即 對 應(yīng) 的 IMC 為 Cu6Sn5。 

對于 Ni/Sn3Ag0.5Cu/Cu 凸點而言，在電遷移作用 下凸點只存在一種失效模式，即當(dāng)電子由基板（Cu）端 流向芯片（Ni）端時，電流擁擠效應(yīng)導(dǎo)致基板端的 Cu 原子在電子入口處出現(xiàn)局部的快速溶解，并導(dǎo)致在陰 極界面處形成裂紋。在 150 ℃、104 A/cm2 條件下電遷 移 1 000 h 后，陰極 Cu 基板基本消耗完，裂紋貫穿整 個陰極界面。在 180 ℃、104 A/cm2 條件下經(jīng)過 143 h 電 遷移后，凸點已經(jīng)發(fā)生失效。當(dāng)電子由芯片端流向基 板端（芯片端 Ni UBM 為陰極）時，陰極 Ni UBM 未發(fā) 生明顯溶解。無論溫度如何，電遷移都沒有引起凸點 失效。 

研究結(jié)果表明，IMC 界面的生長動力學(xué)符合拋物 線規(guī)律，而且電流密度越大、溫度越高，界面的生長速 率就越大。然而，目前關(guān)于凸點的電遷移研究絕大部 分都集中在固 / 固電遷移方面。隨著凸點尺寸的不斷 減小，通過凸點的電流密度越來越大，凸點中的電流 擁擠效應(yīng)和焦耳熱效應(yīng)更加明顯。凸點極易在電遷移 過程中發(fā)生熔化現(xiàn)象。因此，進一步研究凸點在液 / 固 條件下的電遷移行為對理解凸點的失效機理起著至 關(guān)重要的作用。 

隨著互連密度越來越高，凸點逐漸向著細節(jié)距、 微尺寸方向發(fā)展，熱疲勞可靠性問題的影響越發(fā)突 出。為了應(yīng)對這一問題，諸多學(xué)者運用有限元分析 方法、試驗設(shè)計法（DOE）開展了凸點的熱疲勞可靠性 研究，對解決實際工程難題有一定的指導(dǎo)意義。 

王健等發(fā)明了一種以硅為基板的微波芯片倒裝 封裝結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以解決關(guān)鍵的微波芯片背面接地 問題，并建立了三維有限元模型，在此封裝結(jié)構(gòu)中進 行了金凸點的熱疲勞可靠性研究。結(jié)果表明，關(guān)鍵金 凸點的最大等效總應(yīng)變分布在硅與凸點的界面處。根 據(jù)其他學(xué)者的研究結(jié)果，選取了凸點高度、直徑和共 晶焊料片厚度作為影響凸點熱疲勞可靠性的重要因 素，通過 3 因素 3 水平 9 組正交試驗對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行 了優(yōu)化，得出 3 個因素的影響程度依次為共晶焊料片 厚度＞金凸點直徑＞金凸點高度，對結(jié)構(gòu)設(shè)計具有指 導(dǎo)意義。 

王健等還基于 Ansys Workbench LS-DYNA 軟 件，建立了包含鈍化層及凸點下金屬化結(jié)構(gòu)的熱超聲 倒裝結(jié)構(gòu)三維有限元模型。鍵合形成的 3 個階段中凸 點的運動狀態(tài)和塑性應(yīng)變變化如圖 7 所示。根據(jù)凸點 的運動狀態(tài)將鍵合形成過程進一步細分為 3 個階段， 分析了仿真得到的凸點、凸點 / 焊盤界面及凸點下金屬化結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、塑性應(yīng)變分布及其在鍵合過程中的 變化規(guī)律，指出了熱超聲倒裝芯片鍵合可靠性的風(fēng)險點。

凸點界面結(jié)合的物理機制是研究倒裝芯片鍵合 工藝的關(guān)鍵。而常規(guī)的試驗技術(shù)手段難以直接測量局 部區(qū)域內(nèi)的動態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變瞬態(tài)特性。此外，后摩爾時 代采用的新材料、新結(jié)構(gòu)微互連凸點帶來了一系列新 的可靠性問題。為了實現(xiàn)其工程化應(yīng)用，需要通過合 適的仿真方式建立新的失效模型，探索綜合可靠性評 價和設(shè)計方法等。因此在后續(xù)研究中，凸點仿真的模 塊化和精細化是凸點結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝開發(fā)的關(guān)鍵。

凸點是先進封裝中重要的要素之一，它的主要作 用是電氣互連和應(yīng)力緩沖。從傳統(tǒng)的打線工藝發(fā)展到 倒裝焊接工藝，凸點起到了至關(guān)重要的作用。在當(dāng)前 比較知名的先進封裝技術(shù)中，凸點技術(shù)都是其中的關(guān) 鍵技術(shù)，如臺積電的 2.5D CoWoS（Chip on Wafer on Substrate）技術(shù)和集成式扇出型封裝（InFO）技術(shù)、英特 爾的嵌入式多芯片互連橋（EMIB）和 3D 邏輯芯片封 裝 技 術(shù) （Foveros）、三星電子的扇出面板級封裝 （FOPLP）和混合基板封裝（H-Cube）技術(shù)等，部分先進 封裝形式如圖 8 所示[64]。在過去的 10 年間，先進封裝 技術(shù)快速發(fā)展，涌現(xiàn)出 2D、2.5D、3D、3D+2D、3D+2.5D 等多種封裝方式，應(yīng)用領(lǐng)域包括 5G、AI、可穿戴設(shè)備、 高性能服務(wù)器、高性能顯卡等?？偟膩碚f，先進封裝的 目的就是提升功能密度，縮短互聯(lián)長度，提升系統(tǒng)性 能，降低整體功耗，而其中最為重要的環(huán)節(jié)之一就是 凸點制備以及互聯(lián)，因此凸點技術(shù)的開發(fā)與優(yōu)化影響 著先進封裝技術(shù)的發(fā)展。

由于工藝技術(shù)的發(fā)展，凸點尺寸也變得越來越 小，單位面積芯片上的 I/O 引腳數(shù)量不斷增加，異構(gòu)集 成微系統(tǒng)以及凸點制備工藝將繼續(xù)呈現(xiàn)體積不斷微 型化、功能密度不斷提高的發(fā)展趨勢。伴隨著凸點互 連技術(shù)的不斷優(yōu)化，異構(gòu)集成微系統(tǒng)產(chǎn)品有望獲得突 破，并對集成電路行業(yè)產(chǎn)生顛覆性影響。

電子封裝的小型化、輕薄化要求倒裝芯片的凸點尺寸不斷減小，更高密度的微凸點技術(shù)正在研發(fā)并轉(zhuǎn)向量產(chǎn)應(yīng)用。但是隨著凸點尺寸的減小，體積效應(yīng)導(dǎo) 致物理、化學(xué)的影響更加顯著，包括化學(xué)反應(yīng)、金屬溶 解、化學(xué)勢梯度驅(qū)動的擴散、電遷移、焦耳熱、熱遷移和 應(yīng)力遷移，這些因素對凸點長期可靠性影響的研究將 伴隨凸點尺寸的減小同步開展。在材料選擇方面，盡 管 SnPb 凸點由于其具有低成本和高可靠性的優(yōu)點， 被最早應(yīng)用于封裝互連中，但嚴(yán)格的禁鉛條例使封裝 行業(yè)研究者轉(zhuǎn)向了對無鉛凸點的開發(fā)與應(yīng)用，未來的 凸點材料既要滿足環(huán)保要求，也需要具有優(yōu)異的可靠性。在制備工藝方面，電鍍法由于具備工藝簡單、成本 低、易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于凸點制備。隨著凸點尺寸的進一步縮小和密度的進一步增加，需要開發(fā)出更加合適的電鍍工藝，從而滿足不同的產(chǎn)品要求。

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