通过等离子体重熔制备无钎剂钎料球凸点的方法

在细间距倒装芯片封装中，残留钎剂会存在于几乎不可能观察到和去除的区域。因此，无钎剂倒装芯片钎焊逐渐变成一个活跃的研究领域。图13.11中比较了不同重熔条件下得到的Sn-3.5Ag钎料凸点形貌。在激光无钎剂软钎焊中（如图13.11a所示），急剧的局部激光辐射使钎料球部分地与UBM（Under Bump Metallurgy）键合，稍微与焊盘中心偏离。钎料球与UBM间的接头存在陡峭的凹口，在切应力的作用下，会在该位置产生应力集中。凸点的顶端会存在由于快速冷却生成的弹坑。如果有气体被困入弹坑，会导致倒装芯片钎焊接头内存在孔洞。如果增加电流或脉冲宽度，弹坑就不会出现。然而，在高电流或长脉宽条件下，毛细管堵塞的频率也会增加，致使毛细管寿命缩短。因此，在最初低激光电流的键合之后，需要重熔钎料球，对凸点整形并增加其与UBM的键合强度。

图13.10 在大气中暴露不同时间的Sn表面，经过50W的 Ar+10%H₂等离子体处理30s后的氧浓度（270mtorr）^[20]

图13.11 不同重熔条件下得到的Sn-3.5Ag钎料凸点形貌

在热板上使用钎剂重新塑形获得的凸点形貌如图13.11b所示。如预期的那样，凸点被重新塑形，使激光钎焊导致的弹坑消失。钎料在UBM上润湿良好，接头处的凹口也随之消失。然而，钎料凸点被钎剂的残留物包围，所以，需要对钎剂进行充分的清洗。残留的钎剂会影响倒装芯片封装的可靠性，因为其会对底部填充材料产生负面作用^[26]。在光电子器件封装中，钎剂残留物可能会使激光信号偏转或衰减，并影响器件的性能^[27]。

图13.11c为等离子体制备的钎料凸点。采用100W的Ar+10%H₂等离子体重熔Sn-3.5Ag钎料球60s。图13.11表明通过凸点的重新塑形，激光键合产生的弹坑已经消失，钎料在UBM表面润湿良好。因此，Ar+H₂等离子体处理作为无钎剂重熔工艺是十分有效的。在Ar+H₂等离子体重熔过程中，如图13.12所示出现了自对准现象^[28]。偏离UBM中心30_μm的钎料球，在处理40s时开始重新塑形（如图13.12b所示），处理60s后，完全实现了对UBM焊盘的自对准（如图13.12c所示）。然而，过长的重熔时间会导致钎料飞溅于凸点周围。

图13.12 通过100W的Ar+10%H₂等离子体重熔得到Sn-3.5Ag钎料凸点

钎料凸点的剪切强度会受到等离子体重熔时间和等离子体功率影响（如图13.13所示^[28]）。等离子体功率为100W，剪切强度在100s时达到85gf^[1]（最大值），在这之后开始下降。功率为200W，剪切强度在20s时达到最大值，之后开始下降。使用钎剂，在250℃的热板上重熔得到凸点的剪切强度也标于图13.13中。强度保持在60～80gf范围内，与等离子体重熔凸点强度接近。(www.xing528.com)

Ar+H₂等离子体重熔机理示意图如图13.14所示。如图13.14a所示，将要制成凸点的钎料球通过激光实现其与UBM的局部键合，钎料球被氧化物层包围，其顶部存在弹坑。当球在Ar+H₂等离子体中被重熔，钎料和UBM表面的氧化物层被Ar+离

图13.13 不同重熔条件下Cu/NiUBN焊盘上Sn-3.5Ag钎料凸点的剪切强度^[28]

图13.14 Ar+H₂等离子体重熔机理示意图^[28]

a）通过激光键合将要制成凸点的钎料球b）氧化物层被Ar+离子轰击导致破裂 c）液态钎料表面张力的作用下开始钎料的重新塑形和自对准 d）液态钎料与UBM发生反应并生成IMC

子轰击导致破裂（如图13.14b所示）。Ar⁺离子的动能由于与钎料凸点的碰撞转变为热能，钎料被加热至熔点。还原性气氛的H₂等离子体会阻止钎料被再次氧化。在液态钎料表面张力的作用下实现钎料的重新塑形和自对准（如图13.14c所示）。如图13.14d所示，液态钎料与UBM发生反应并生成IMC。

由于等离子体的复杂性，最佳的等离子体重熔条件要取决于等离子体系统。因此，为扩大等离子体无钎剂重熔工艺窗口，需要做更系统的研究工作。有时电子器件会被等离子体破坏，因此，必须准备相应的对策来避免这种破坏。等离子体重熔可以用于光电子器件和MEMS封装，这些应用中，钎剂的使用是受到限制的。