在倒装芯片工艺中锡铅钎料的反应K.N.Tu,K.Zeng摘要：基于形态学，热力学和动力学等方面大量可靠的数据，对SnPb钎料和Cu，Ni，Au，Pd这四种金属中任意一种发生的锡铅钎料反应进行了综述。大块和薄膜两种形式金属的钎料反应进行了考察和对比。而且是在钎料熔点之上或之下发生的反应也已加以思考和比较。在熔化钎料和金属间的润湿反应中，金属间化合物的形成率比固态钎料和金属反应的速率快3-4个数量级，而且这种速率被金属间化合物形成时的形态所控制。在熔化的SnPb和Cu或Ni的润湿反应过程中，金属间化合物的结构为扇贝型，其在固态老化时呈层状。在扇形中间有一个通道，它促使原子快速扩散和获得非常快的化合物形成率。在层状形态中，化合物层自身对扩散造成阻碍，减慢反应速度。类似的，在SnPb和Au或Pd之间也存在此种形态改变。润湿反应中的扇形和固态时效状态下的层状形态具有稳定性，可以通过表面和界面能最小化原理来解释。这种液相金属间化合物形成的不常见的高速率是通过自由能改变率来解释，而不是自由能的改变进行解释。同时综述中还包括金属多层作为球下金属植层，比如Cr/Cu/Au，Al/Ni(V)/Cu和Cu/Ni合金薄膜。关键词：钎料反应；倒装芯片工艺；扇贝形；金属间化合物形成1.引言钎料反应是连接金属最古老的冶金工艺之一，今天，在现代微电子工艺中对钎料反应的利用也是无所不在的：在电路板制造中，利用钎料把芯片的主架构连接到主板上；在倒装芯片工艺中，钎料直接把芯片连接到主板上；在电子消费产品中预期会使用更多的倒装芯片工艺（图1）。因此为了成功的应用该工艺，就要对钎料反应作一个系统的研究。在这次研究中，我们先讨论为什么我们在芯片—基板封装中使用钎料以及为什么在钎料使用几百年以后，钎料反应仍然为大家研究的热点。在电子工业中两个关键的技术是芯片技术和封装技术，此处芯片技术的重要性就不再详述，封装技术的重要性正开始被关注。没有先进的封装技术，微米级芯片技术在速度和功能上的先进性就大大的被减小。倒装芯片工艺在计算机主机制造中已获得很大的成功，并且已延伸到一个很广泛的，各种各样的无线移动电子消费品领域中。这些微型机器的功能和用法变得非常尖端，怎么把这些非常先进的芯片封装在便携式设备内的一张卡或一块主板上变得非常具有挑战性。为了理解这种挑战性，我们从芯片内部连接的两个简单因素开始。今天的大规模集成电路硅片中的铝或铜线仅仅0.5μm或更少。假设在两个平行金属线之间的空间也为0.5μm，那么共占用空间为1μm，因此在1cm2的芯片上我们有10000根线。每一根线都长1cm，这就意味着在每一层上金属线的总长度是100m。由于我们在一个芯片上布6-7层金属线路，如果我们把层与层之间的可连接长度累加起来，我们就会发现，在1m2芯片上相互连接的线路长度将是1km！这是第一个事实。为了给芯片上这些金属丝提供电导线，我们在逻辑芯片表面需要做几千个I/O焊盘。唯一可实行的办法是使用焊点球栅列阵。我们有50μm直径的焊点小球，焊点间距也是50μm，所以每个焊点所占长度空间是100μm，我们在1cm上能放100个焊点小球或在1cm2上能放10000个小球。另外，第二个有关联的因素是我们在芯片表面有10000个I/O口或钎料小球，由于期望这种小尺寸焊点小球的应用，在1999年国际半导体工艺电路图组织（ITRS）确认倒装芯片工艺为重要的研究课题，这些课题是与制造业中的产品及使用方面的可靠性是密切有关的[1]。什么是倒装芯片？什么是制造和可靠性问题？广泛的说，把芯片电路和外部电路连接在一起有两种方式：一种是通过金属线连接；另一种是通过焊接凸点。图2a显示了通过金属线连接在主架构上的硅芯片简图，其中主架构的腿利用表面安装技术或针孔技术焊到电路板上。芯片的超大规模集成（VLSI）边在用金属线固定时颠倒了，因为金属线固定需要超声波振动，在结合过程中使用的压力可以损坏结合区域周围或底下的结构，所以他必须在芯片的周围边线上安装，而远离芯片中心区起作用的VLSI区。即使我们在100μm内布一根50μm的金属线，我们也仅能在1cm2大的芯片周围设计400个I/O，它比10000个钎料球少的多。其中，这些小球被安装或电镀在同样大的芯...
