倒装芯片化学镀镍／金凸点技术

关键词：化学镀镍金；凸点；均匀性；附着性能

中图分类号：tn305．94 文献标识码：a 文章编号：1681-1070(2005)04-09-04

1 概述

众所周知，在通常的芯片封装中包含芯片粘贴和引线键合等工序。随着芯片尺寸的减小和i／o端数的增加，电极尺寸和电极间距变得更小。这一方面会使芯片封装引线键合变得更加困难，另一方面也会使引线间的电磁干扰(electro magnetic interference简称emi)变得更大，影响芯片封装的电性能。为了使芯片封装获得更好的电性能并能增加i／o端数，迫切需要寻求一种新的封装形式来满足高性能器件的封装。于是倒装芯片封装应运而生，这种封装将芯片的粘贴和连接合二为一。连接是通过芯片上呈阵列分布的凸点与基板上的电极对准键合实现的。由于芯片是倒扣在基板上，与常规的芯片粘装方向相反，故称之为倒装芯片(flip chip)。

与常规的引线键合相比，由于倒装芯片采用了凸点结构，使得互连长度更短，互连的电阻和电感更小，器件的电性能得到了明显提高和改善。此外，倒装芯片下作时产生的热可通过凸点直接传到基板上，使得散热性能更佳；更为重要的是倒装芯片的凸点可呈周边式和面阵式分布，因而提高了封装的密度，减小了封装的体积。

倒装芯片制作技术起源于20世纪60年代，经过几十年的发展，已经形成多种制作凸点的方法，但人们一直努力追求可靠性高成本低的凸点制作技术。芯片凸点制作中一个关键的工序是铝电极再金属化，多数铝电极的再金属化使用薄膜工艺、光刻丁艺和腐蚀丁艺等，会增加制造成本，而在铝电极上采用化学镀镍／金制作凸点，不仅不需要使用上述工序中昂贵的设备，而且还可以很容易实现量化生产，因此化学镀镍／金技术制作凸点应用前景广阔。

这篇文章将重点讨论化学镀镍／金凸点的过程控均匀性以及镍／金凸点在铝电极上的附着性能。

2 实验过程

(1)晶片

实验所用的晶片由华虹集成电路有限公司提供，晶片上的芯片用于电子标签封装，晶片的尺寸为150mm，电极划、为80μm×80μm，电极间距离200μm。表面钝化层为磷硼硅玻璃，开孔的电极膜层材料为铝硅(1％)铜(1％)，膜层的厚度为1．5μm。

(2)电极表面清洗与活化

用丙酮和异丙醇超声波清洗除去残存在铝合金电极表面的有机物，氮气吹干后，用含有磷酸(6％)和氟硼酸铵(2％)的溶液对铝合金电极进行50秒微腐蚀，微腐蚀液的温度为25℃。用去离子水冲洗晶片后将晶片置人配制好的活化液中，对铝合金电极表面进行活化处理40秒，再用去离子水冲洗掉铝表面的活化液。

(3)化学镀镍

将活化好的晶片转入温度为90℃的化学镀镍液中，该镀液还原剂为次磷酸盐(15-20g／l)，主盐为硫酸镍(18-24g／l)，络合剂为琥珀酸(20-25g／l)，用氢氧化钠溶液将化学镀液的ph值调至7．0，该镀液的稳定剂为硫脲和醋酸铅。

(4)化学镀金

将化学镀镍的晶片冲洗后放人10％的盐酸溶液中，浸泡100秒后冲洗，然后立即放人配制好的镀金液中，该镀金液为无氰的，主要有亚硫酸盐和硫代硫酸盐，还原剂为肼，还含有少量的稳定剂，操作温度为60℃。30分钟可获得0．2μm的金层。

3 实验结果3．1 镍金凸点的表面形貌

使用自己调配好的化学镀镍、金溶液，能在整个晶片上获得(如图1所示)很好的镍金凸点。图1显示了铝电极上的镍金凸点图片。从图1(a)、(b)可观察发现镍金凸点未出现漏镀、桥连和缺损。图1(c)、(d)中，可以看到镍金凸点边缘平滑，未出现边缘突起现象。使用自己调配的化学镀镍、金溶液也能获得很平滑和平整的表面，如图1(e)、(f)所示，铝合金电极经过化学镀镍、金后，铝合金电极上的倒“10”和“5”字图案能清晰地印在19μm厚的镍金凸点上。

3．2 镍凸点的缺陷

镍凸点的缺陷特别表现为与镍的沉积过程有关。镍凸点缺陷主要表现为以下两种：即拐角缺陷和方向性缺陷，如图2所示。在图2(a)、(b)中，正方形镍凸点在四个拐角处存在着明显生长不足的缺陷。在图2(b)中，随着镍沉积时间的加长，镍层厚度的增加，在拐角处镍的沉积还呈现出生长的波纹现象。图2(c)、(d)中，正方形的镍凸点不仅存在拐角缺陷，而且存在方向性缺陷，即在同一方向上(图2(c)、(d)的下方)镍凸点表现为更为明显的生长不足特征。

3．3 化学镀镍／金凸点均匀性

150mm晶片经过活化处理后，再经过60分钟的化学镀镍和30分钟的化学镀金后，在x、y轴方向随机抽取70个点，测量化学镀镍／金凸点高度。结果见表1。

测试的结果显示，在150mm晶片上，可获得厚度最大偏差不超过2μm的镍／金凸点，这样厚度均匀的镍／金凸点非常有利于与基板的电连接。

3．4 剪切强度

在晶片上随机抽取50个点，测试镍／金凸点的剪切力，测试的结果见表2。从表2可以看出，有48个镍／金凸点的剪切力集中在145 g-168 g的范围内。镍／金凸点的失效模式均表现为在镍／镍的界面上发生断裂，图3显示剪切测试过程中出现的划纹现象。

4 讨论

镍金凸点的表面形貌主要与镍磷沉积过程的控制有关，镍磷沉积速率的控制直接影响到镍金凸点的表面形貌。众所周知，化学镀镍过程是一个自催化的氧化还原过程，其机理一般可描述为：h2po2-+h2o→h2po-3+h+2e，ni2+2e→ni，2h+2e→h2，h2po-2+2e→p+2h2o。在化学镀镍的溶液中，除了镍盐、还原剂之外，还有有机络合剂、ph值调节剂、加速剂和稳定剂等。其中稳定剂是化学镍磷白催化反应的毒物，阻止镍磷的还原反应，因而对镍金凸点的表面形貌至关重要。稳定剂含量在一定范围内，对化学镀镍的溶液起稳定作用，若含量过高，会使化学镀镍的溶液失效，所以对稳定剂的含量应该严格控制。一般认为，稳定剂是通过表面吸附来改变被镀表面的化学电位，减少镍离子还原到镍金属表面，从而改变化学镀镍磷的沉积速率。 在图1中，镍金凸点呈现出光滑表面，我们在化学镀镍的溶液中加入双组分的稳定剂(醋酸铅0．5mg／l和硫脲0．5mg／l)，其中硫脲不仅可以起到稳定反应的作用，而且还可以起到表面润湿剂的作用，并有利于反应释放气体的溢出，该镀液可以将化学镀镍的速率稳定控制在0．32μm／min。由于在各个方向上化学镀镍沉积的速率是一样的，即镍凸点在各个方向上的生长速率是一样的。当镍凸点的生长超过钝化膜的高度时，镍凸点的生长从钝化膜的边框向外扩展，将铝合金电极包封在里面，也就是说铝合金电极被化学镀镍层完全覆盖，镍凸点的边缘呈现出四分之一的圆弧，图1(c)、(d)显示出这一点。由于该化学镀镍溶液可以沉积细小的镍磷颗粒因而获得平滑的镍凸点。镍表面化学镀金大多数采用有氰化学镀金溶液，如若控制不当，表面会呈现镀金溶液刻蚀的微孔和凹坑，微孔吸附电解液，使得线焊和焊料焊接出现难以焊接的问题。我们采用自己调配的无氰化学镀金液，不仅镍金之间附着性能好，而且表面没出现微孔和凹坑现象。因此，经过60分种的化学镀镍和30分钟化学镀金后，能清晰显现下层铝合金电极上的倒“10”和“5”字图案。

如若在化学镀镍的溶液中加入单组分的稳定剂(醋酸铅1．0mg／l)，则会呈现如图2中所示的各种缺陷。由于化学镀镍过程中释放大量的氢气，从镍的表面溢出，使得镀液产生旋流，从边角处进入到电极的表面，这样扩散到边角的铅离子数较中间处多，因而使得拐角处的化学电位增高，不利于镍离子在拐角处还原，表现出拐角处生长不足的缺陷。镍金凸点呈现方向性缺陷也与铅离子的扩散有关，可能是由于化学镀镍溶液本身在某个方向上流动的强弱不一样导致的。 共面性是倒装芯片优劣的一个关键指标，采用电镀法、印刷法制作的凸点，由于电场效应存在和印刷焊料的多少难以控制，凸点的共面性较差。采用化学镀镍金溶液制作凸点，由于溶液的温度和流动较易控制，因而在每个电极上的沉积速率是一致的，镍金凸点的高度也就表现出很好的一致性。一般来说，镍金凸点的高度偏差不超过1μm，其凸点很好的共面性非常有利于与基板的电连接。

剪切力结果和失效模式反映了镍凸点的附着性能和应力大小，一般来说，镍和铝的线性系数相差较大，它们之间的附着完全依赖金属键，彻底清除铝金属表面的自然氧化层，对提高镍凸点的附着性能至关重要。镍凸点的应力随着镍厚度和施镀温度的增加而增加。对于用acf和acp贴粘的倒装芯片，要求镍金凸点的厚度在15μm-25μm。这样较厚的镍金凸点会产生较大的应力，传递到凸点下面的硅结构层，当施加在硅结构层上的应力超过硅的断裂强度时，将会在镍金凸点的下面产生凹坑裂纹。从图1(d)的剖面照片可以看出，我们制作的镍金凸点的下面没有产生凹坑裂纹。从图3可知，剪切过程中出现划纹，说明镍金凸点断裂均发生在镍与镍之间而没有发生在镍与铝之间。我们获得化学镀镍／金凸点的剪切力数值与有关资料报道的数值持平。因此，采用我们的化学镀镍金系统，可以获得附着性能好、应力低的化学镀镍金凸点。5 结论

我们建立的化学镀镍金系统能够准确地控制镍／金层的生长，化学镀镍／金凸点芯片上的铝焊盘被化学镀镍／金凸点层完全覆盖，且镍／金凸点表面平滑，未出现漏镀、桥连、缺损和边缘突起等缺陷。化学镀镍／金系统有稳定的沉积速率，获得的镍／金凸点高度表现出很好的一致性，铝电极和镍／金凸点之间有牢固的附着，有利于与基板电极形成可靠电连接。化学镀镍俭凸点芯片的封装可采用各项异性导电胶倒装焊工艺。