半导体“倒装芯片（Flip - Chip）”焊界面退化的详解；

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一讲到“倒装芯片（Flip-Chip，简称：FC）”，相信同行的朋友们并不陌生，它是一种无引脚结构的芯片封装技术。一般含有电路单元，它将芯片有源面（即带有电路的一面）朝下，通过凸点与基板直接连接，而不是传统的引脚连接方式。其原理是在芯片的 I/O 焊盘上直接沉积，或者通过 RDL 布线后沉积凸块（包括锡铅球、无铅锡球、铜柱凸点及金凸点等），然后将芯片翻转，进行加热，使熔融的焊料与基板或框架相结合，将芯片的 I/O 扇出成所需求的封装过程。

因为芯片倒装（FC）焊工艺采用焊料凸点式的芯片键合,也称为可控塌陷芯片连接,这种倒装技术为微电路器件提供了一种高密度、低电感的导电路径,芯片倒装焊接由三部分组成：芯片表面的凸点下金属层(UBM)、基板表面的顶层金属层(TSM)、焊料球。芯片与焊料球的结合如图所示、芯片倒装（FC）焊位置如下图所示：

而芯片表面的UBM 焊盘,由起着不同作用的三层金属膜构成：芯片焊盘表面的黏附层、焊料润湿层、氧化保护层。倒装焊一般采用载流焊工艺,焊球通过固→液→固的变化,使焊料球牢固地与芯片键合在一起,典型的焊球尺寸是宽 100~250μm,高50~200μm。焊料球多采用PbSn、PbIn两类焊料;UBM多层金属结构中,黏附/阻挡层采用Cr/CrCu或TiW 结构,润湿层采用Cu、Ni或Ag,氧化保护层采用Au;TSM金属化层一般选择Ti/Au。

在以上这种焊点相关界面（如 Under Bump Metallurgy (UBM) 和 Top Surface Metallurgy (TSM) 与焊料球界面等）出现性能下降的情况，主要表现为键合界面接触电阻增大、键合强度下降以及在温度循环条件下键合界面易发生开裂等问题 时，即芯片倒装（FC）的焊界面退化，也是本章节要跟大家分享的主要内容。

一、倒装芯片（FC）焊界面退化的机理

因为芯片倒装焊点在稳态温度条件下的失效，主要表现为Under Bump Metallurgy (UBM) 和Top Surface Metallurgy (TSM) 与焊料球界面处因金属间化合物持续生长，所导致的键合界面接触电阻增大及键合强度下降。此外，在温度循环条件下，该键合界面也易发生开裂。此类失效机理与UBM/TSM的材料选择、结构设计、几何尺寸、焊料成分、基板材料以及工作环境温度密切相关。

1、金属间化合物生长

金属间化合物的形成主要集中于UBM/TSM界面以及焊料体内部。其形成机理源于再流焊工艺过程中界面处金属原子的相互扩散。具体而言，在进行倒装焊时，芯片和基板上的大量金属原子会溶解到液态焊料中。这些原子首先在UBM/TSM界面处形成初始的金属间化合物层，其形成速率和厚度取决于基体金属在液态焊料中的溶解度。当焊料冷却固化时，焊料中过饱和的基体金属会析出，在焊料内部形成分散的金属间化合物颗粒。因此，在再流焊过程中，若工艺控制不当，导致焊料与芯片、焊料与基板之间的金属间扩散过度，就会在UBM/TSM界面形成过厚的脆性金属间化合物层，从而造成焊点性能退化，并为后续使用中界面处的开裂埋下隐患。

2、温度循环影响

焊接温度对倒装焊料凸点的失效部位具有显著影响。研究表明：对于PbSn倒装键合凸点，当焊接温度T=340℃时，凸点裂纹倾向于出现在芯片侧的UBM/焊料界面附近（见下图左）；而当焊接温度升高至T=365℃时，裂纹则转而出现在基板侧的TSM/焊料界面附近（见下图右）。这种失效部位的转移，归因于在更高温度下，芯片侧TSM界面的AuSn金属间化合物会加速生长，导致该区域成为新的薄弱环节。

在影响芯片倒装焊凸点可靠性的诸多因素中，Au元素的作用尤为关键。当Au元素进入PbSn焊料后，会迅速与Sn反应形成Au/Sn金属间化合物（如AuSn₄），导致焊料脆化，进而引发两类主要问题：

（1）脆性金属间化合物厚度的增加，以及界面处Sn元素被大量消耗，共同导致焊点的机械性能显著下降。

（2）在脆性金属间化合物层附近，由于Sn的消耗会形成富Pb的软质区，该区域在热循环应力作用下，极易成为裂纹萌生和扩展的路径。

二、倒装芯片（FC）焊界面退化的影响因素

出现以上焊界面退化的主要影响因素有以下三点：

1、材料相关因素

a. UBM/TSM材料

Under Bump Metallurgy (UBM) 和 Top Surface Metallurgy (TSM) 的材料选择对焊界面退化影响显著。不同的UBM/TSM材料在再流焊过程中，与焊料之间的金属间化合物形成情况和性能不同，其材料特性决定了金属间化合物的生长速率、种类和分布，进而影响键合界面的接触电阻和强度。例如，某些UBM/TSM材料可能更容易与焊料形成脆性金属间化合物层，导致焊点性能退化。

b. 焊料成分

焊料的成分决定了金属间化合物的种类和形成过程。不同成分的焊料在再流焊过程中，基体金属在液态焊料中的溶解度不同，原子扩散和反应情况也不同，从而影响金属间化合物层的厚度和性能。合适的焊料成分可以控制金属间化合物的生长，减少焊界面退化的风险。

c. 基板材料

基板材料的热膨胀系数等特性与芯片不匹配时，会导致热应力产生。在工作环境温度变化时，热膨胀系数的差异会加大芯片与基板之间的热应力失配，加速焊界面退化。同时，基板材料的某些特性也可能影响金属间化合物的形成和分布。

2、结构与工艺因素

a. UBM/TSM结构设计与几何尺寸

UBM/TSM的结构设计、几何尺寸会影响金属间化合物的形成和分布。合理的结构设计和几何尺寸可以控制金属间化合物的析出位置和生长方向，避免在UBM/TSM界面形成过厚的脆性金属间化合物层。例如，特定的结构设计可以使金属原子在扩散过程中更均匀地分布，减少局部金属间化合物的过度生长。

b. 焊接温度与工艺控制

焊接温度对倒装焊料凸点的失效部位具有显著影响。在再流焊过程中，若工艺控制不当，如焊接温度过高或保温时间过长，会导致焊料与芯片、焊料与基板之间的金属间扩散过度，从而在UBM/TSM界面形成过厚的脆性金属间化合物层，造成焊点性能退化，并为后续使用中界面处的开裂埋下隐患。此外，焊接温度的均匀性也会影响焊界面的质量。

3、工作环境因素

工作环境温度的变化，特别是温度循环，会产生热应力。温度循环产生的应变在裸片边角处最为严重，会加大基板和硅片之间热膨胀系数严重失配造成的影响，使得键合界面易发生开裂。同时，温度循环也会加速金属间化合物的生长，进一步导致焊界面退化。

另外，因界面退化会导致芯片与基板之间的电气连接可靠性下降，可能引发系统故障。因此，需通过改进材料配方、优化工艺参数等措施，降低退化风险。

三、倒装芯片（FC）焊界面退化的解决措施

倒装芯片焊界面退化的解决措施可归纳为以下四方面，结合工艺优化、材料改进和设备调整实现：

1、激光加热技术

激光 + 测温同轴精准控温的倒装芯片焊接技术，能严格控制温度曲线、保证凸点润湿均匀性，同时规避热膨胀系数失配导致的应力损伤、金属间化合物（IMC）异常生长及细间距凸点桥接等问题，有助于减少焊界面退化的可能性。迈射科技半导体激光加热技术采用激光、测温同轴设计，温度探测响应时间仅 1ms，能实时捕捉加工区域的温度变化，避免温度滞后导致的控温偏差。

2、清洗工艺

倒装芯片通过回流焊焊接在基板上后，因需用填充料对裸片进行填充，所以需要对芯片和基材之间狭小空间里的助焊剂残留物进行清洗，以防止填充时出现分层、空洞和条纹等界面缺陷，为底部填充提供适当的润湿度，防止空洞产生，一定程度上保障焊界面的稳定性。

3、材料与结构优化

可通过选择高纯度填充料和焊料，提升界面润湿性和机械强度，从而在倒装芯片设计中采用更紧凑的凸点布局，降低焊点应力集中。

4、设备与工艺协同

引入智能温控系统，精确控制回流焊温度曲线，减少热冲击对焊界的影响。同时还需要结合自动化设备提升封装对位精度，降低因人为误差导致的虚焊风险。

通过上述措施，可系统提升倒装芯片焊界质量，减少退化风险。

四、总结一下

倒装芯片（FC）焊界面退化的核心是金属间化合物（IMC）过度生长、热机械疲劳、电迁移、界面空洞 / 分层四大机制叠加，最终导致接触电阻上升、机械强度骤降、焊点开裂 / 脱落。可通过UBM 选材、焊料优化、回流 / 底部填充工艺控制、结构应力优化可显著提升可靠性，可为倒装芯片（FC）工艺技术能力的提升贡献出不小的力量。

审核编辑 黄宇