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铜柱电镀辅导材料
录入时间:2017/5/22 14:33:12

铜柱电镀辅导材料

 

在之前的辅导资料中,我们提供了有关先进封装应用(包括通孔填充和铜柱)的铜电镀概述。倒装芯片应用所采用的电镀铜柱其相关要求以及加工时需考虑的因素与通孔填充技术有些不同,因此需要在此进行探讨。

 

凸点制造技术的演进

 

图 1:各代凸点制造技术
 

目前倒装芯片互连技术经常采用铜柱,这种铜柱一般在顶部有一个无铅锡银镀焊帽。传统可控塌陷芯片连接 (C4) 凸点制造技术由于在尺寸和间距(不同特性之间的空间)存在局限性,因此逐渐转为采用铜柱来克服这些局限性。由于间距要求不断缩减,利用铜柱可实现较高密度的设计,同时保持足够的凸点高度。新一代技术将采用非常窄的铜柱,宽度仅为 10 至 30 µm。

铜柱电镀工艺

 

图 2:具有锡银帽的铜柱电镀工艺图示
 

铜柱在基板铜种子层上进行电镀,光阻材料决定了铜柱的直径。铜柱与镀焊帽之间的镍扩散屏障层对界面上铜锡金属间层的形成起着限制作用,或可防止微小空隙的形成。金属间化合物生长过度与微小空隙过量都会对电镀可靠性产生不利影响。在采用可达到超高纯度的铜化学技术时,是否需要这种镍屏障层取决于客户的偏好。

 

设计与性能

设计目标

RDL 目标

20 μm 铜柱目标

50 μm 铜柱目标

200 μm 铜柱目标

% 内晶粒 (WID) 均匀度

<5%

<5%

<5%

<10%

% 总体标示偏转值 (TIR) 凸起

-5% 至 5%

-5% 至 5%

-5% 至 5%

-5% 至 5%

电镀电流密度

2 至 12 ASD

4.5 至 12 ASD

4.5 至 18 ASD

20 至 40 ASD

总掺杂量
(C,N,O,S,CI)

<20 ppm

<20 ppm

<20 ppm

<20 ppm

镀焊兼容性

无空隙,无镍屏障层

无空隙,无镍屏障层

无空隙,无镍屏障层

无空隙,无镍屏障层

 

图 3:铜柱的典型设计目标和性能目标
 

 

正确选择电镀材料和工艺可确保铜柱满足特定设计目标要求,有利于获得最佳品质与可靠性。将电镀槽的不纯度控制在尽可能低的水准可最大程度减少铜柱-镀焊界面出现空隙的风险。如将碳、硫、氯以及其他杂质等掺杂物的含量控制在 20 ppm 以下,就有可能形成无空隙的镀焊帽铜柱,甚至在不采用镍屏障层的情况下也可实现这一点。

 

电化学势效应

 

图 4:内晶粒均匀度
 

铜柱高度应适合正确的晶粒贴合法,不过一个晶圆上的每个晶粒并非都具有相同的电化学势。晶粒边缘和角的电化学势较高,因此边缘凸点也较高,从而导致铜柱较低处——晶粒中心处的接触不充分。凸点密度越高,所带来的问题就越大。

了解内晶粒均匀度


图 5:内晶粒均匀度计算
 

如图 5 中所示的相关计算,内晶粒 (WID) 共面性或均匀度通常应低于 5%,不过对于较大的铜柱,目标值可能更高。在这些参数中如缺少内晶粒 (WID) 均匀度,会引起各种可靠性问题。

通过化学方法进行内晶粒 (WID) 控制


图 6:添加剂在控制内晶粒均匀度上的作用
 

在电镀槽中使用最合适的添加剂有助于实现所需的内晶粒 (WID) 均匀度。校平器一般会被吸引至具有较高电流密度的区域,并对这些区域的电镀率进行抑制,从而产生较为均匀的铜柱。

凸起形状计算


图 7:总体标示偏转值 (TIR) 计算与铜柱形状示例
 

均匀的铜柱形状非常有利于后续的镀焊电镀以及达成内晶粒一致性,这种形状对工程设计而言是一项较大的挑战。尽管略为凸起的形状可能有利于电镀,不过大多数客户还是倾向采用平柱。选用最佳的电镀材料与工艺可帮助工程师设计出每种应用所需的特定结构。在任何情况下,总体标示偏转值 (TIR) 应控制在± 5% 的范围内。

达成铜柱形状与空隙形成之间的平衡

图 8:显示了具有无空隙金属间化合物的凸起锡银帽铜柱(左)以及铜与锡银界面之间存在大量空隙的平铜柱(右)
 

利用添加剂不难形成平铜柱,不过有时却会形成含有众多空隙的劣质铜柱-镀焊界面(该界面也常称为金属间化合物 (IMC))。许多市售电镀槽可产生优质界面,不过所形成的铜柱经常出现凸起过度现象。

 

平铜柱与 SnAg 镀焊帽的成功整合

 

图 9:无空隙带帽微型铜柱与标准铜柱(含镍与不含镍)
 

具有最佳添加剂和铜纯度的电镀槽可实现“鱼和熊掌”兼得的完美世界:平柱具有光滑、连续的界面,有或无镍屏障层。


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